CC BY
0Аннотация. Применение крепежных изделий в различных отраслях промышленности обусловлено их простотой и надежностью. Из практического опыта выявлено, что наиболее часто находит применение болт М10 широкого размерного ряда по длине. При изготовлении болтов различной длины величины их механических свойств остаются неизменными.
Выявленный разброс механических свойств у болтов различной длины вызвал необходимость исследования его причин. При выбранном комплексе факторов проводился статистический анализ влияния факторов на предел прочности при растяжении, предел прочности на растяжение на косой шайбе и твердость у готовых болтов.
Представленные результаты исследования позволили предположить, что причиной разброса механических свойств у болтов с различной длиной является разброс исходных механических и эксплуатационных характеристик подката по его длине.
Ключевые слова: болт, механические свойства, химический состав, уравнения регрессии, показатель качества
АНАЛИЗ ВАРИАЦИИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БОЛТОВ М10 РАЗЛИЧНОЙ ДЛИНЫ
Введение
Сортамент метизной продукции насчитывает тысячи наименований. Крепежные изделия выделяются преимущественным разнообразием. В этом разнообразии основное место можно отдать болтам.
Используются болты в различных областях промышленности: в строительстве, машиностроении, автомобилестроении и приборостроении, в мебельной промышленности, в быту и т.д. Основное назначение соединение разнообразных деталей.
В общем исполнении болт — это крепёжное изделие, представляющее собой стержень с накатанной на него наружной резьбой (полной или неполной) и головкой (часто шестигранной под гаечный ключ).
Из практического опыта выявлено, что очень часто в совершенно разнообразных областях промышленности наиболее подходящим для применения становится болт М10. Причиной этого в оптимальном соотношение размеров болта М10 и максимальной нагрузки, которую он способен выдержать. Это соотношение позволяет удовлетворить потребности как автомобилистов, так и строителей и изготовителей мебели. В ГОСТ 7798-70 указаны следующие размеры болта М10 [1]:
• номинальный диаметр резьбы: 10 мм,
• шаг резьбы: крупный 1,5 мм, мелкий 1,25 мм,
• размер «под ключ»: 16 мм,
• высота головки: 6,4 мм,
• длина болта: от 18 мм до 200 мм (для болтов с длиной менее 40 мм допускается изготовление резьбы до головки).
К основным характеристикам качества болта и, в частности М10, можно отнести: предел прочности при растяжении ов, предел прочности на растяжение на косой шайбе ов* и твердость. При исполнении болтов различной длины величина их механических свойств остаются неизменной.
Технологический процесс производства болтов М10 различной длины в условиях ОАО «ММК-МЕТИЗ» осуществляется с одинаковым набором и последовательностью операций [2]. Однако предварительный анализ данных испытаний готовых болтов показал значительный разброс механических свойств для болтов различной длины. Так вариация значений составила для: предела прочности при растяжении ав - 23,2%, предела прочности на растяжение на косой шайбе ов* - 24,6% и твердости - 7,8%.
Целью настоящей работы является проведение статистического анализа влияния комплекса факторов на величину разброса механических свойств болта М10 различной длины.
Материалы и методы исследования
В качестве объекта исследования был выбран болт М10, широкого размерного ряда по длине, производимого на ОАО «ММК-
МЕТИЗ». Штамповка болтов проводиться на автоматах - комбайнах АВ 1921 и поточных автоматических линиях из горячекатаного круглого проката стали марки 10, прошедшего процесс калибрования.
Мотки с калиброванным металлом устанавливают на разматывающее устройство. Конец калиброванного металла выпрямляется и подающими роликами задается в автомат. Процесс штамповки включает ряд последовательных операций выполняемых согласно технологическим картам (рис.1) для болтов разной длины.
Процесс штамповки болта состоит из следующих операций:
- отрезка заготовки требуемой длины;
- предварительная высадка головки;
- окончательная высадка головки и фаски;
- редуцирование стержня;
- обрезка головки «под ключ»;
- накатка резьбы.
Постоянный набор операций и одинаковый режим редуцирования позволил исключить из комплекса факторов величину обжатия и скорость деформации.
При статистическом исследовании анализировали геометрические параметры (длина) болтов М10 из стали марки 10. Химический состав стали (с содержанием С, 81, Мп, Р, Сг, А1, Си,№,Т1) принимали согласно паспортам плавок, представленным электросталеплавильным комплексом ЭСПЦ. Использование химического состава стали в качестве фактора обусловлено его влиянием на механические свойства исходной заготовки [3]. Количество обработанных плавок составило более 20.
При штамповке партий болтов, каждой из заданных длин, согласно действующим техническим условиям проводился отбор образцов (болтов) для проведения испытаний.
На отобранных образцах стандартными испытаниями определяли механические свойства, в частности: предел прочности при растяжении ов, предел прочности на растяжении на косой шайбе ов* и величина твердости по Роквеллу (НИВ) (табл. 1).
Формирование базы данных испытаний должно обеспечивать возможность проведения статистической обработки. Количественное наполнение базы учитывает как учет всех факторов, так и достоверность используемых показаний.
Длина болта, мм Содержание химического элемента, % Предел прочности на растяжение на косой шайбе св*, Мпа Предел прочности при растяжении св , Мпа Твердость, НИВ
С Су Си Мп N N1 81
25 0,09 0,05 0,05 0,45 0,009 0,03 0,2 556,4 559,4 92,6
30 0,09 0,05 0,05 0,45 0,009 0,03 0,2 578,6 582,4 94,2
35 0,09 0,04 0,03 0,44 0,006 0,02 0,19 526,4 530,8 91,1
40 0,09 0,05 0,05 0,45 0,009 0,03 0,2 573,8 577,4 94,0
50 0,1 0,03 0,03 0,47 0,008 0,02 0,2 673,2 676,2 93,4
60 0,09 0,04 0,03 0,44 0,007 0,02 0,19 565,2 568,2 92,7
70 0,09 0,04 0,03 0,44 0,006 0,02 0,19 575,6 579,4 94,6
80 0,1 0,03 0,03 0,47 0,008 0,02 0,2 622,2 617,6 93,7
90 0,1 0,06 0,05 0,5 0,007 0,04 0,23 537,4 541 92,5
100 0,09 0,04 0,03 0,44 0,006 0,02 0,19 601,2 604 94,1
105 0,09 0,04 0,03 0,44 0,007 0,02 0,19 626,2 621 96,1
110 0,09 0,04 0,03 0,44 0,006 0,02 0,19 561,6 565,2 93,6
Таблица 1
Фрагмент формирования выборки данных для проведения статистической обработки и
расчета уравнений регрессии
Рис. 1. Порядок операций при производстве болтов М10 длиной 30 - 120 мм
Проведение исследования с применением статистического метода анализа данных позволяет получать математические модели определения закономерностей формирования механических свойств на испытуемых образцах [4 - 15].
Результаты и их обсуждение
В процессе проведения статистического анализа выполнялась предварительная обработка результатов измерений, чтобы в дальнейшем с наибольшей эффективностью и корректно, использовать их для построения эмпирических зависимостей.
При предварительной обработке экспериментальных данных отсеивали грубые погрешности и проверяли соответствие распределения результатов испытаний закону нормального распределения.
Грубые погрешности измерения, аномальные или сильно выделяющиеся значения, очень плохо поддаются определению. Отсев грубых погрешностей проводили по критерию Стьюдента. Вычисляются критические значения т а для двух уровней значимостей: а = 5 % и а = 0,1 %
а = 0,1% :та =
t
a,n—2
,-2yln _1
i
n — 2 +1
2
a,n—2
где 1апП-2 - табличное значение распределения Стьюдента.
Решение об отсеве принимается на основании схемы, приведенной на рис. 2.
Значение не отсеивается
Отсеивание по решению исследователя
Значение отсеивается
ь 5% 1о,1 %
Рис. 2. Схема принятия решения об отсеве выбранного значения
Процедуру отсева повторяли до тех пор, пока отсеивались значения с максимальным относительным отклонением. В нашем случае выполнялось три этапа (шага) отсева. Результат отсева приведен на рис.3.
п 47
Длима С Cv Си Мп N Vfi 5i
Среднее 61, 25 0,090417 0,042703 0,034533 0,446453 0,006729 0,023125 0,195203
Мах{<1[} 48,75 0,010417 0.017292 0,015417 0.053542 0,002271 0.016S75 0,034702
Вариация 44% 5% 15* 25% 4% 13% 25% 5%
Дисперсия 730,319149 1.6SE-05 0,000041 0,000072 0.0 00245 0,000001 0,000035 0,000102
Станд.откп 27,0244176 0,004104 0,006433 I] ,008495 0.015641 0,00119S 0,005391 0,010104
Тау_макс 1,30392416 2,533037 2,635967 1,314317 3,423192 1,395175 2,364392 3,443432
Та&л. значение распред. Стьидента ОДО% 3,550966
5* 2,021075
Решение No — — No — No — —
№ строки 6 17 43 7 43 7 43 43
Рис.3. Результаты отсева
По результатам проведенной обработки данных испытаний можно записать следующие уравнение линейной регрессии:
ав*=745,29+0,00069*[Длина]-5606*[С]-5288*[Су]+817*[Си]+1049*[Мп]+3615*[М1]
Ов=725,72-0,013*[Длина]-5747*[С]-4877*[Су]+609 *[Си]+1117*[Мп]+3379*[Ы1] Тв=105,56+0,019*[Длина]-20*[С]-89,28*[Су]+59,93*[Си]-25,97*Мп]+74,96*[М]
Оценка применимости построенной эмпирической модели для последующего прогнозирования и управления качеством болта использовали три статистических показателя.
Критерий Фишера (Б-статистика) применяется для оценки построенного уравнения регрессии с позиции надежность.
Критерий Стьюдента (Т-статистика) применяется для оценки значимости коэффициентов регрессии.
Средняя относительная ошибка аппроксимации А считается допустимой, если она не превосходит 10 %.
Проверка полученных уравнений регрессии позволила выявить значимое влияние одного фактора (длина болта) из комплекса факторов. Применение данных уравнений для моделирования механических свойств готовых болтов требует дальнейшей доработки в направлении оптимизации выбора факторов.
Заключение
В результате проведенных исследований выявлено, что из выбранного комплекса факторов наибольшее влияние на механические свойства готового болта оказывает его длина.
Узкий интервал изменения содержания элементов химического состава стали показал отсутствие значимого влияния этих факторов на исследуемые отклики. Химический состав стали, выбранный как показатель механических свойств исходной заготовки, обуславливает необходимость непосредственно учитывать качество подката. Можно предположить, что причиной разброса механических свойств у болтов с различной длиной является разброс исходных механических и эксплуатационных характеристик подката по его длине.
Список литературы
1. ГОСТ 7798 Болты с шестигранной головкой класса точности В. Конструкция и размеры. -М.: Стандартинформ, 2010.
2. Технологическая инструкция ТИ ММК-МЕТИЗ-М.КР-6-2016 «Производство болтов М6-МЗО методом холодной высадки»
3. Шубин И.Г., Шубина М.В. Основы материаловедения: учеб. пособие. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2014. 193 с.
4. Минько А.А. Статистический анализ в MS EXCEL. М.: Издательский дом «Вильямс», 2004. -448 с.
5. I.G. Shubin, M.V. Shubina, Methodology of High-Carbon Wire Rod Perlite Grain Grade Identification, Solid State Phenomena, (2018) 284 338-343
6. Производство горячекатаного листового проката для замещения холоднокатаного аналогичного назначения: монография / Румянцев М.И., Шубин И.Г., Исмагилов Р.А., . Завалищин А.Н., Цепкин А.С., Корнилов В.Л., Буданов А.П. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2012. 217 с.
7. Конструирование характеристик влияния химического состава стали на показатели качества высокоуглеродистой канатной катанки /Шубин И.Г., Румянцев М.И., Торопицина У.А., Сиротюк А.П., Демидова О.О., Азаров А.П.// Производство проката. 2009. № 3. С. 12-15.
8. Анализ качества производства холоднокатаной ленты из электротехнической стали с применением методов SPC в условиях ЛПЦ-3 ОАО «Ашинский металлургический завод» / Румянцев М.И., Чевардин Ю.А., Шубин И.Г., Пичугин Н.А., Филиппова Е.А. // Производство проката. 2010. № 10. С. 24-30.
9. К вопросу построения модели для расчета составляющих температурного режима металла в линии широкополосного стана горячей прокатки /М.И. Румянцев, И.Г. Шубин, Д.Ю. Загузов, О.Ю. Носенко, С.В. Игуменов //Моделирование и развитие процессов ОМД. 2006. № 1. С. 26-34.
10. Шубин И.Г., Степанова Е.Н., Румянцев М.И. Оценка результативности и стабильности производства грузоподъемных канатов / Заготовительные производства в машиностроении. 2012. № 6. С. 46-48.
11. Шубин И.Г., Бородина Е.Н., Румянцев М.И. К оценке влияния показателей качества и количества брака на комплексную оценку результативности производства канатов // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 70-й межрегион. науч.- техн. конф. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. унта им. Г.И. Носова, 2012. Т.1. С. 280-283.
12. Румянцев М.И., Шубин И.Г., Носенко О.Ю. Конструирование модели для расчета температуры низколегированных сталей при прокатке на ШСГП //Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2007. № 1. С. 54-57.
13. Шубин И.Г., Бородина Е.Н., Румянцев М.И., Исламов И.Ш. Управление качеством канатов на основе множественного регрессионного анализа // Обработка сплошных и слоистых материалов: межвуз. сб. науч. тр. /под ред. М.В. Чукина. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. унта им. Г.И. Носова, 2012. Вып. 38. С. 80-85.
14. Шубин И.Г., Бородина Е.Н., Румянцев М.И. Управление качеством канатной проволоки и канатов на основе множественного регрессионного анализа // Механика и актуальные проблемы металлургического машиностроения: междунар. сб. науч. тр. / под ред. Железкова О.С. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2014. С.136 - 145.
15. Шубин И.Г., Бородина Е.Н. Применение комплексного показателя для оценки результативности технологии волочения канатной проволоки и свивки стальных канатов. // Качество в обработке материалов. 2016. № 2. С. 58 - 62.
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
ANALYSIS OF MECHANICAL PROPERTY VARIATION OF DIFFERENT LENGTH M10 BOLTS
Shubin I.G., Ph.D. (Eng.), Associate Proffessor
Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia, E-mail: shubin64@mail.ru
Abstract. The use of fasteners in various industries is due to their simplicity and reliability. From practical experience, it has been revealed that the most frequently used bolt is the M10 of a wide size range in length. In the manufacture of various lengths bolts, the values of their mechanical properties remain unchanged. The revealed variation in the mechanical properties of various lengths bolts necessitated the study of its causes. With the selected complex of factors, a statistical analysis of factors influence on tensile strength, tensile strength on a slanting puck and hardness of finished bolts was carried out.
The presented results of the study suggested that the cause of mechanical properties scatter of bolts with different lengths is the variation of the initial mechanical and operational characteristics of the rolled stock along its length.
Keywords: bolt, mechanical properties, chemical composition, regression equations, quality indicator
