Bei Shanghai Huishuo Aluminium Industry Technology Co., Ltd. beantwortete unser Ingenieursteam kürzlich eine Frage eines Maschinenbauers, der eine Portalrahmenverbindung aus T-Nuten-Aluminium der Serie 40 entwarf: Soll der Entwurf auf die für 6061-T6 veröffentlichten 207 MPa, die für 6063-T6 typischen 152 MPa oder die für 6063-T5 aufgeführten 117 MPa abzielen? Die Auswahl ändert die Schraubengröße, die Halterungsgeometrie und die Profilwandstärke.
Scherfestigkeit von Aluminium ist keine einzelne Handbuchnummer; Dies hängt von der Legierung, dem Härtegrad, der Prüfmethode und der Lage der Scherebene in der realen Baugruppe ab. Dieser Leitfaden behandelt die Werte, die für industrielle T-Nut-Strangpressrahmen wichtig sind, und wie man sie anwendet, ohne jede Verbindung übermäßig zu konstruieren.
Die Extrusionslegierung 6061-T6 weist eine Scherfestigkeit von 207 MPa auf; 6063-T5 trägt 117 MPa; 7075-T6 erreicht 330 MPa. Verwenden Sie als ersten Schätzwert 60 Prozent der endgültigen Zugfestigkeit.
Was Scherfestigkeit bei extrudierten Profilen bedeutet
Die Scherfestigkeit ist die maximale Belastung, der ein Aluminiumprofil standhalten kann, bevor eine Materialebene parallel zur aufgebrachten Last auseinandergleitet. Bei strukturellen Aluminiumlegierungen liegt sie typischerweise zwischen 55 und 65 Prozent der endgültigen Zugfestigkeit.
Kerndefinition: Die Scherspannung entspricht der aufgebrachten Kraft dividiert durch die Fläche der Widerstandsebene, geschrieben als F / A. Wenn die berechnete Scherspannung die Scherfestigkeit der Legierung übersteigt, versagt der Abschnitt, indem er entlang dieser Ebene rutscht oder reißt, anstatt sich aus der Form zu verbiegen.
In einem extrudierten Rahmen tritt Scherung an drei verschiedenen Stellen auf: am Schraubenschaft, am Gewindeeingriff in einer T-Mutter und an der Schlitzwand des Profils. Jede Ebene hat eine andere Fläche und eine andere Einschränkungsbedingung, daher muss jede Ebene unabhängig überprüft werden. Die schwächste Ebene bestimmt das Gelenk.
- Scherfestigkeit des Schraubenschafts – wird durch die Qualität und den Durchmesser des Befestigungselements bestimmt.
- Festigkeit des T-Mutter-Gewindestreifens – wird durch die Eingriffslänge in der Mutter eingestellt.
- Scherfläche der Profilschlitzwand – bestimmt durch die Wandstärke hinter dem Schlitz.
Eloxieren geht nicht in die Berechnung ein. Eine 5 bis 25 Mikrometer dicke Oxidschicht verbessert die Verschleißfestigkeit der Oberfläche, die Gesamtscherfestigkeit wird jedoch vollständig von der Grundlegierung und dem Härtegrad des Strangpressteils getragen.
Scherfestigkeit von Aluminium nach Legierung und Härte
Bei handelsüblichen Aluminiumlegierungen reicht die Scherfestigkeit von etwa 40 MPa für geglühtes reines Metall bis zu 330 MPa für 7075-T6, und die beiden in den meisten T-Nuten-Strangpressteilen verwendeten Legierungen, 6063 und 6061, liefern je nach Härte zwischen 117 und 207 MPa.
Scherfestigkeit gängiger Aluminiumlegierungen, MPa
1100-O 45 6063-T5 117 5052-H32 138 6063-T6 152 6061-T6 207 2024-T3 283 7075-T6 330
207 MPa Scherfestigkeit 6061-T6
117 MPa Scherfestigkeit 6063-T5
330 MPa 7075-T6 Spitzenreferenz
0,6 x UTS Schätzung der Scherung im ersten Durchgang
Veröffentlichte Scherfestigkeitswerte für gängige Aluminiumlegierungen und Härtegrade, die in strukturellen und industriellen Anwendungen verwendet werden. | Legierung und Härte | Scherfestigkeit (MPa) | Scherfestigkeit (psi) | Typische Anwendung |
| 1100-O | 40-62 | 5.800-9.000 | Reinaluminium, chemische und leichte Teile |
| 6063-T5 | 117 | 17.000 | Standard-T-Nut-Strangpressprofile |
| 5052-H32 | 138 | 20.000 | Marineblecharbeiten und geformte Platten |
| 6063-T6 | 152 | 22.000 | Strukturelle T-Nut-Extrusionsprofile |
| 6061-T6 | 207 | 30.000 | Hochbelastbare Extrusionsprofile und Maschinengestelle |
| 2024-T3 | 283 | 41.000 | Strukturbleche für die Luft- und Raumfahrt |
| 7075-T6 | 330 | 48.000 | Luft- und Raumfahrt- und Hochbeanspruchungsarmaturen |
Der Stimmungswechsel ist in realen Bildern wichtig. Ein 6063-T6-Strangpressprofil widersteht etwa 30 Prozent mehr Scherbelastung pro Quadratmillimeter als das gleiche Profil aus 6063-T5 bei identischen Wandabmessungen. Daher sollte bei Verbindungen mit hoher Scherung die Härte angegeben und im Materialzertifikat überprüft werden.
Wie die Scherfestigkeit gemessen wird und wo die Ergebnisse falsch sind
Die Scherfestigkeit von Aluminium wird mit Schlag- und Einzelscher-Vorrichtungstests gemessen, und beide erfordern eine strenge Spielkontrolle; Wenn das Setup deaktiviert ist, kann sich die gemeldete Festigkeit bei demselben Material um mehr als 10 Prozent verschieben.
- ASTM B831 deckt die Scherprüfung dünner Aluminiumlegierungsprodukte durch Stempel ab und ist die Standardreferenz für Blech- und Extrusionscoupons.
- ASTM F606 regelt die Scherprüfung von Schraubverbindungen und gilt, wenn die Schraube und nicht das Profil die zu bewertende Komponente ist.
- Interne Mühlenverfahren, die auf diesen Standards basieren, sind für Extrusionsprofile üblich und die Ergebnisse werden auf dem Materialtestzertifikat ausgedruckt.
Testaufbauregel
Halten Sie den Abstand zwischen Stempel und Matrize zwischen 5 und 12 Prozent der Probendicke ein und entfernen Sie eloxierte oder lackierte Oberflächen vor dem Testen, da sonst die angegebene Scherfestigkeit um mehr als 10 Prozent abweichen kann.
Drei Variablen verfälschen die Schertestergebnisse mehr als alle anderen.
- Abstand zwischen Stempel und Matrize: zu klein führt zu Sekundärscherung und künstlich hohen Werten; Zu groß führt zu Graten und niedrigen, nicht wiederholbaren Zahlen.
- Probenorientierung: Aufgrund der Kornorientierung kann die Festigkeit zwischen Extrusions- und Querrichtung um einige Prozent abweichen.
- Oberflächenvorbereitung: Ungleichmäßige Klemmung oder eloxierte Oberflächen verändern die Reibung an der Scherzone und sollten vor dem Test entfernt werden.
Bei extrudierten Profilen ergibt sich das repräsentativste Ergebnis aus der Bearbeitung eines flachen Abschnitts aus der tatsächlichen Profilwand und dem Testen dieses genauen Materials, nicht aus allgemeinen Handbuchwerten für Blechmaterialien.
Die 60-Prozent-Regel: Abschätzung der Scherfestigkeit anhand von Zugdaten
Wenn kein zertifizierter Scherwert verfügbar ist, schätzen Sie die Scherfestigkeit auf 60 Prozent der endgültigen Zugfestigkeit. Für Aluminiumlegierungen prognostiziert dies eine Schnitt- und Durchstechscherfestigkeit innerhalb von durchschnittlich etwa 5,5 Prozent der gemessenen Werte.
Schätzung der Scherung im ersten Durchgang
Die Scherschätzung entspricht dem 0,6-fachen der Zugfestigkeit. Beispiel: 6061-T6 bei 310 MPa UTS ergibt etwa 186 MPa; 6063-T5 bei 190 MPa UTS ergibt etwa 114 MPa.
Die 60-Prozent-Regel ist ein Hilfsmittel in der Konzeptphase und kein Ersatz für zertifizierte Werksdaten. Sobald eine Verbindung kritisch wird, fordern Sie das Zertifikat der mechanischen Eigenschaften für die spezifische Extrusionswärme an oder führen Sie einen Stanztest an einem Probestück des gelieferten Profils durch.
Verwenden Sie die Regel in folgenden Situationen:
- Konzeptentwurf beim Vergleich von Legierungen und Härtegraden, bevor das Rahmenlayout festgelegt wird.
- Lieferantenangebot, wenn in einem Datenblatt die Zugfestigkeit aufgeführt ist, die Scherfestigkeit jedoch weggelassen wird.
- Fehleranalyse, bei der überprüft wird, ob eine gerissene Verbindung über einen angemessenen zulässigen Schub hinaus belastet wurde.
Anwenden von Scherfestigkeitsdaten auf T-Nut-Extrusionsrahmen
Bei T-Nut-Rahmenkonstruktionen kommt es vor allem auf die Scherfestigkeit des Profilmaterials an der Verbindung an, da Rahmen fast immer zuerst an der Verbindungsstelle und nicht in der Mitte einer Spannweite versagen.
Eine verschraubte T-Nut-Verbindung wird durch den kleinsten von drei Werten begrenzt: die Scherfestigkeit der Schraube, die Festigkeit des T-Nuten-Gewindestreifens oder die Scherfläche der Profilwand hinter dem Schlitz. Bei dünnwandigen Profilen ist die Schlitzlippe meist die schwächste Ebene, weshalb bei überlasteten Verbindungen ein verformter oder gerissener Schlitz entsteht, bevor das Verbindungselement abreißt.
Die Wandstärke ist der Hebel, der die Verbindungskapazität erhöht, ohne die Legierung zu wechseln. Ein 4040-Profil mit einer 4,5-mm-Wand bietet bei gleicher Schlitzgeometrie etwa die doppelte Scherfläche einer dünnwandigen 1,8-mm-Version, während die Scherfestigkeit des Materials für 6061-T6 in beiden Fällen bei 207 MPa bleibt.
HS-8-4040W Extra robustes 4040 T-Nut-Aluminiumprofil mit 4,5 mm Wandstärke Die 4,5-mm-Wandstärke dieses 4040-Profils verdoppelt die Scherfläche im Vergleich zu dünnwandigen Versionen nahezu und macht es zu einer guten Wahl für Verbindungsbereiche unter wiederholten Belastungen, wie die umliegende Diskussion über Wandstärke und Scherfestigkeit unterstreicht. Produkt anzeigen → Geben Sie bitte Angaben zu Portalhalterungen, Auslegerarmen und Hebepunkten an Hochleistungsprofile 6061 mit Wandverdickungen in den Stoßzonen und Reserve-Standardprofilen für verbleibende Spannweiten. Die Kurzversion unseres 6061- und 6063-Vergleichs: 6063-T5 eignet sich für leichte Rahmen, während 6061-T6 der technische Standard für Verbindungen ist, die wiederholten Scherlasten ausgesetzt sind.
HS-10-4545 Robustes 4545-Aluminium-Strangpressprofil mit 2,4 mm dicker Wand Dieses 45x45-Profil ist ideal für Portalhalterungen und Auslegerarme und bietet eine 2,4-mm-Wand für zusätzliche Verbindungskapazität. Seine 10,2-mm-T-Nut unterstützt schwere Befestigungselemente und eignet sich für Anwendungen, bei denen die Scherleistung der Güteklasse 6061 im Vordergrund steht. Produkt anzeigen → Sobald die zulässige Scherkraft festgelegt ist, wenden Sie einen Sicherheitsfaktor von mindestens 2 für statische Lasten und 3 für dynamische oder reversierende Lasten an, bevor Sie ihn mit der angewendeten Gelenkkraft vergleichen.
Gemeinsame Designprüfung
Bestimmen Sie die Tragfähigkeit von Schrauben und Nutensteinen mindestens 20 Prozent über der Schertragfähigkeit der Profilwand. Eine unerwartete Überlastung verformt den Schlitz dann sichtbar, bevor etwas bricht, und verwandelt einen plötzlichen Ausfall in ein sichtbares Wartungssignal.
Häufig gestellte Fragen zur Scherfestigkeit von Aluminium
Wie hoch ist die Scherfestigkeit von 6061-T6-Aluminium?
6061-T6-Aluminium hat eine veröffentlichte Scherfestigkeit von 207 MPa (30.000 psi). Wenden Sie für Konstruktionsarbeiten die 60-Prozent-Regel auf die maximale Zugfestigkeit von 310 MPa an, was etwa 186 MPa ergibt, und addieren Sie dann einen Sicherheitsfaktor basierend auf der Belastungsart.
Wie hoch ist die Scherfestigkeit von T-Nut-Aluminium 6063-T5?
6063-T5-Aluminium hat eine Scherfestigkeit von etwa 117 MPa (17.000 psi). Die T6-Vergütung erhöht diesen Wert auf etwa 152 MPa (22.000 psi). Überprüfen Sie die Härte auf dem Profilmaterialzertifikat, bevor Sie die Verbindungskapazität berechnen, da viele Standard-T-Nut-Profile in 6063-T5 geliefert werden.
Verändert das Eloxieren die Scherfestigkeit von Aluminium?
Nein. Beim Anodisieren entsteht eine dünne Oxidschicht, typischerweise 5 bis 25 Mikrometer dick, die die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit verbessert, aber die Scherfestigkeit des Strangpressteils nicht verändert. Strukturberechnungen sollten die Beschichtung ignorieren und den Wert der Basislegierung verwenden.
Wie ist die Scherfestigkeit von Aluminium im Vergleich zu Stahl?
A36-Baustahl hat eine Scherfestigkeit von etwa 250 MPa, ähnlich wie 6061-T6-Aluminium mit 207 MPa. Da Aluminium etwa ein Drittel so viel wiegt, ist die spezifische Scherfestigkeit von 6061-T6 etwa doppelt so hoch wie die von A36, sodass Aluminiumrahmen ähnliche Gelenklasten bei einem Bruchteil des Gewichts tragen können.
