Presso Shanghai Huishuo Aluminium Industry Technology Co., Ltd., il nostro team di ingegneri ha recentemente risposto a una domanda di un costruttore di macchine che progettava un giunto per telaio a portale in alluminio con scanalatura a T della serie 40: il progetto dovrebbe mirare ai 207MPa pubblicati per 6061-T6, ai 152 MPa tipici del 6063-T6 o ai 117 MPa elencati per 6063-T5. La scelta modifica la dimensione del bullone, la geometria della staffa e lo spessore della parete del profilo.
Resistenza al taglio dell'alluminio non è un unico numero di manuale; dipende dalla lega, dallo stato d'animo, dal metodo di prova e dalla posizione del piano di taglio nell'assieme reale. Questa guida tratta i valori che contano per i telai per estrusione con scanalature a T industriali e come applicarli senza sovraccaricare ogni connessione.
La lega per estrusione 6061-T6 ha una resistenza al taglio di 207 MPa; 6063-T5 trasporta 117 MPa; 7075-T6 raggiunge 330MPa. Utilizzare il 60% della resistenza alla trazione finale come stima al primo passaggio.
Cosa significa resistenza al taglio nei profili estrusi
La resistenza al taglio è la sollecitazione massima a cui un profilo di alluminio può resistere prima che un piano di materiale si allontani parallelamente al carico applicato e, per le leghe di alluminio strutturali, in genere si attesta tra il 55 e il 65% della resistenza alla trazione finale.
Definizione principale: lo stress di taglio è uguale alla forza applicata divisa per l'area del piano resistente, scritta come F / A. Quando lo stress di taglio calcolato supera la resistenza al taglio della lega, la sezione cede scivolando o strappandosi lungo quel piano anziché piegarsi fuori forma.
In un telaio estruso, il taglio appare in tre posizioni separate: il gambo del bullone, l'impegno della filettatura all'interno di un dado a T e la parete della fessura del profilo. Ciascun piano ha un'area e una condizione di vincolo diverse, quindi ciascuno deve essere controllato in modo indipendente; il piano più debole governa l'articolazione.
- Capacità di taglio del gambo del bullone - decisa dal grado e dal diametro del dispositivo di fissaggio.
- Resistenza alla filettatura del dado a T: impostata in base alla lunghezza di impegno nel dado.
- Area di taglio della parete della fessura del profilo - determinata dallo spessore della parete dietro la fessura.
L'anodizzazione non entra nel calcolo. Uno strato di ossido da 5 a 25 micrometri migliora la resistenza all'usura superficiale, ma la resistenza al taglio complessivo è sostenuta interamente dalla lega di base e dallo stato dell'estrusione.
Resistenza al taglio dell'alluminio per lega e stato d'animo
Tra le leghe di alluminio commerciali, la resistenza al taglio va da circa 40 MPa per il metallo puro ricotto a 330 MPa per 7075-T6, e le due leghe utilizzate nella maggior parte delle estrusioni con scanalature a T, 6063 e 6061, forniscono tra 117 e 207 MPa a seconda della tempra.
Resistenza al taglio delle comuni leghe di alluminio, MPa
1100-O 45 6063-T5 117 5052-H32 138 6063-T6 152 6061-T6 207 2024-T3 283 7075-T6 330
207 MPa Resistenza al taglio 6061-T6
117 MPa Resistenza al taglio 6063-T5
330 MPa Riferimento di picco 7075-T6
0,6 volte UTS Stima del taglio di primo passaggio
Valori di resistenza al taglio pubblicati per le leghe e gli stati di alluminio comuni utilizzati in applicazioni strutturali e industriali. | Lega e tempra | Resistenza al taglio (MPa) | Resistenza al taglio (psi) | Applicazione tipica |
| 1100-O | 40-62 | 5.800-9.000 | Parti in alluminio puro, prodotti chimici e per impieghi leggeri |
| 6063-T5 | 117 | 17.000 | Profili di estrusione con scanalatura a T standard |
| 5052-H32 | 138 | 20.000 | Lamiere marine e pannelli formati |
| 6063-T6 | 152 | 22.000 | Profili di estrusione con scanalatura a T strutturale |
| 6061-T6 | 207 | 30.000 | Profili di estrusione per carichi pesanti e telai di macchine |
| 2024-T3 | 283 | 41.000 | Lamiere strutturali aerospaziali |
| 7075-T6 | 330 | 48.000 | Raccordi aerospaziali e ad alta sollecitazione |
L'oscillazione dell'umore è importante nei fotogrammi reali. Un'estrusione 6063-T6 resiste a circa il 30% in più di carico di taglio per millimetro quadrato rispetto allo stesso profilo in 6063-T5 con dimensioni di parete identiche, quindi i giunti ad alto taglio dovrebbero specificare la tempra e verificarla sul certificato del materiale.
Come viene misurata la resistenza al taglio e dove i risultati vanno storti
La resistenza al taglio dell'alluminio viene misurata con prove di fissaggio a punzone e a taglio singolo, ed entrambe richiedono uno stretto controllo del gioco; quando l'impostazione è disattivata, la resistenza riportata può variare di oltre il 10% sullo stesso materiale.
- ASTM B831 copre le prove di taglio di tipo punch di prodotti sottili in lega di alluminio ed è il riferimento standard per i coupon di lamiere ed estrusione.
- ASTM F606 disciplina le prove di taglio degli elementi di fissaggio bullonati e si applica quando il componente da valutare è il bullone, e non il profilo.
- Le procedure di fresatura interna basate su questi standard sono comuni per i profili di estrusione e i risultati sono stampati sul certificato di prova del materiale.
Prova la regola di configurazione
Mantenere la distanza tra punzone e matrice tra il 5 e il 12% dello spessore del provino e rimuovere le superfici anodizzate o verniciate prima del test, altrimenti la resistenza al taglio riportata può discostarsi di oltre il 10%.
Tre variabili corrompono i risultati dei test di taglio più di ogni altra.
- Gioco punzone-matrice: troppo piccolo produce taglio secondario e valori artificialmente alti; troppo grande crea sbavature e numeri bassi, non ripetibili.
- Orientamento del provino: la resistenza può differire di qualche percentuale tra la direzione di estrusione e quella trasversale a causa dell'orientamento dei grani.
- Preparazione della superficie: il fissaggio irregolare o le superfici anodizzate modificano l'attrito nella zona di taglio e devono essere rimossi prima del test.
Per i profili estrusi, il risultato più rappresentativo deriva dalla lavorazione di un coupon piatto dalla parete effettiva del profilo e dal test di quel materiale esatto, non dai valori manuali generici dei fogli.
La regola del 60%: stima della resistenza al taglio dai dati di trazione
Quando non è disponibile alcun valore di taglio certificato, stimare la resistenza al taglio come il 60% della resistenza alla trazione finale; per le leghe di alluminio ciò prevede una resistenza al taglio di tranciatura e perforazione entro circa il 5,5% in media dei valori misurati.
Stima del taglio di primo passaggio
La stima del taglio è pari a 0,6 x carico di rottura a trazione. Esempio: 6061-T6 a 310 MPa UTS fornisce circa 186 MPa; 6063-T5 a 190 MPa UTS fornisce circa 114 MPa.
La regola del 60% è uno strumento in fase di progettazione, non un sostituto dei dati di cartiera certificati. Una volta che un giunto diventa critico, richiedi il certificato di proprietà meccanica per lo specifico calore di estrusione, oppure esegui un punch test su un tagliando del profilo consegnato.
Utilizza la regola in queste situazioni:
- Progettazione concettuale, quando si confrontano leghe e tempre prima che la disposizione del telaio venga fissata.
- Preventivo del fornitore, quando una scheda tecnica elenca la resistenza alla trazione ma omette la resistenza al taglio.
- Analisi dei guasti, quando si verifica se un giunto fessurato è stato caricato oltre un ragionevole taglio ammissibile.
Applicazione dei dati sulla resistenza al taglio ai telai per estrusione con scanalatura a T
Nella progettazione dei telai con scanalature a T, la resistenza al taglio del materiale del profilo è più importante in corrispondenza della connessione, poiché i telai quasi sempre cedono prima in corrispondenza del giunto piuttosto che nel mezzo della campata.
Un giunto con scanalatura a T bullonato è limitato dal più piccolo dei tre valori: capacità di taglio del bullone, resistenza della striscia filettata del dado a T o area di taglio della parete del profilo dietro la fessura. Nei profili a parete sottile, il bordo della fessura è solitamente il piano più debole, motivo per cui i giunti sovraccarichi mostrano una fessura deformata o fessurata prima del taglio dell'elemento di fissaggio.
Lo spessore delle pareti è la leva che aumenta la capacità del giunto senza cambiare lega. Un profilo 4040 con parete da 4,5 mm fornisce circa il doppio dell'area di taglio di una versione a parete sottile da 1,8 mm con la stessa geometria della fessura, mentre la resistenza al taglio del materiale rimane a 207 MPa per 6061-T6 in entrambi i casi.
Profilo in alluminio con scanalatura a T 4040 per impieghi extra pesanti HS-8-4040W con parete da 4,5 mm La parete da 4,5 mm di questo profilo 4040 raddoppia quasi l'area di taglio rispetto alle versioni a parete sottile, rendendolo un'ottima scelta per le zone di giunzione sottoposte a carichi ripetuti, come evidenziato dalla discussione sullo spessore della parete e sulla resistenza al taglio. Visualizza il prodotto → Per staffe a portale, bracci a sbalzo e punti di sollevamento, specificare profili 6061 per carichi pesanti con pareti ispessite nelle zone di giunzione e riserva di profili standard per le rimanenti campate. La versione breve del nostro confronto tra 6061 e 6063: 6063-T5 è adatto a strutture leggere, mentre 6061-T6 è l'impostazione predefinita per giunti che sopportano carichi di taglio ripetuti.
HS-10-4545 Estrusione di alluminio 4545 per impieghi gravosi con parete spessa 2,4 mm Ideale per staffe a portale e bracci a sbalzo, questo profilo 45x45 offre una parete di 2,4 mm per una maggiore capacità di giunzione. La sua scanalatura a T da 10,2 mm supporta elementi di fissaggio pesanti, adattandosi ad applicazioni in cui vengono enfatizzate le prestazioni di taglio di grado 6061. Visualizza il prodotto → Una volta impostato il taglio ammissibile, applicare un fattore di sicurezza pari ad almeno 2 per i carichi statici e 3 per i carichi dinamici o inversi prima di confrontarlo con la forza articolare applicata.
Verifica della progettazione congiunta
Progettare la capacità del bullone e del dado a T almeno il 20% superiore alla capacità di taglio della parete del profilo. Un sovraccarico inaspettato deforma quindi visibilmente la fessura prima che qualcosa si rompa, trasformando un guasto improvviso in un segnale visibile di manutenzione.
Domande frequenti sulla resistenza al taglio dell'alluminio
Qual è la resistenza al taglio dell'alluminio 6061-T6?
L'alluminio 6061-T6 ha una resistenza al taglio pubblicata di 207 MPa (30.000 psi). Per il lavoro di progettazione, applicare la regola del 60% rispetto alla sua resistenza alla trazione finale di 310 MPa, che dà circa 186 MPa, quindi aggiungere un fattore di sicurezza basato sul tipo di carico.
Qual è la resistenza al taglio dell'alluminio con scanalatura a T 6063-T5?
L'alluminio 6063-T5 ha una resistenza al taglio di circa 117 MPa (17.000 psi). La temperatura T6 la porta a circa 152 MPa (22.000 psi). Controllare la tempra sul certificato del materiale del profilo prima di calcolare la capacità del giunto, poiché molti profili con scanalatura a T standard sono forniti in 6063-T5.
L’anodizzazione modifica la resistenza al taglio dell’alluminio?
No. L'anodizzazione forma un sottile strato di ossido, in genere spesso da 5 a 25 micrometri, che migliora la resistenza all'usura e alla corrosione ma non modifica la resistenza al taglio dell'estrusione. I calcoli strutturali dovrebbero ignorare il rivestimento e utilizzare il valore della lega di base.
Come si confronta la resistenza al taglio dell'alluminio con quella dell'acciaio?
L'acciaio strutturale A36 ha una resistenza al taglio vicina a 250 MPa, vicina all'alluminio 6061-T6 a 207 MPa. Poiché l'alluminio pesa circa un terzo in più, la resistenza al taglio specifica del 6061-T6 è circa il doppio di quella dell'A36, quindi i telai in alluminio possono sopportare carichi articolari simili con una frazione del peso.
