アルミニウムせん断強度ガイド: 合金値、試験および押出設計

押出プロファイルにおけるせん断強度が意味するもの

せん断強度は、材料の 1 つの面が加えられた荷重と平行にスライドする前にアルミニウム プロファイルが耐えることができる最大応力であり、構造用アルミニウム合金の場合、通常は極限引張強度の 55 ～ 65 パーセントになります。

押し出しフレームでは、ボルトのシャンク、T ナット内部のねじの係合部、およびプロファイルのスロット壁の 3 つの別々の場所でせん断が発生します。各平面には異なる領域と制約条件があるため、それぞれを個別にチェックする必要があります。最も弱い平面がジョイントを支配します。

• ボルトシャンクのせん断能力 - ファスナーのグレードと直径によって決まります。
• T ナットのねじ山ストリップ強度 - ナットのかみ合い長さによって設定されます。
• プロファイル スロットの壁のせん断面積 - スロットの後ろの壁の厚さによって決まります。

陽極酸化は計算に含まれません。 5 ～ 25 マイクロメートルの酸化物層により表面の耐摩耗性が向上しますが、バルクせん断強度はすべてベース合金と押出成形品の焼き戻しによってもたらされます。

合金と焼き戻しによるアルミニウムのせん断強度

市販のアルミニウム合金全体のせん断強度は、焼きなましされた純金属の約 40 MPa から 7075-T6 の 330 MPa までの範囲に及び、ほとんどの T スロット押出成形品で使用される 2 つの合金、6063 と 6061 は、焼き戻しに応じて 117 ～ 207 MPa を発揮します。

実際のフレームでは気性の変動が重要です。 6063-T6 押出成形品は、同じ壁寸法の 6063-T5 の同じプロファイルよりも平方ミリメートルあたり約 30% 高いせん断荷重に耐えることができるため、高せん断接合部では調質を指定し、材料証明書で確認する必要があります。

せん断強度の測定方法と結果が間違っている箇所

アルミニウムのせん断強度は、パンチタイプおよびシングルせん断治具テストで測定されますが、どちらも厳密なクリアランス管理が必要です。セットアップがオフの場合、報告される強度は同じ材料でも 10% 以上変化する可能性があります。

• ASTM B831 は、薄いアルミニウム合金製品のパンチタイプのせん断試験を対象としており、シートおよび押出クーポンの標準基準です。
• ASTM F606 は、ボルト締結部品のせん断試験を規定しており、プロファイルではなくボルトが評価対象のコンポーネントである場合に適用されます。
• これらの規格に基づく内部ミル手順は押出プロファイルに共通であり、結果は材料試験証明書に印刷されます。

3 つの変数は、他の変数よりもせん断試験結果を悪化させます。

• パンチとダイのクリアランス: 小さすぎると二次的なせん断が発生し、人為的に高い値が発生します。大きすぎるとバリが発生し、再現性のない低い数値が発生します。
• 試験片の配向: 結晶粒の配向により、強度は押出方向と横方向で数パーセント異なる場合があります。
• 表面処理: 不均一なクランプや陽極酸化表面はせん断ゾーンでの摩擦を変化させるため、テスト前に除去する必要があります。

押し出しプロファイルの場合、最も代表的な結果は、一般的なシートストックのハンドブックの値からではなく、実際のプロファイル壁から平らなクーポンを機械加工し、その正確な材料をテストすることによって得られます。

60 パーセント ルール: 引張データからせん断強度を推定する

認証されたせん断値が利用できない場合は、せん断強度を極限引張強度の 60% として推定します。アルミニウム合金の場合、これはブランキングおよび穿孔せん断強度を平均して測定値の約 5.5% 以内に予測します。

60 パーセント ルールはコンセプト段階のツールであり、認定された工場データの代替ではありません。接合部が危険になったら、特定の押出熱に対する機械的特性証明書を要求するか、提供されたプロファイルのクーポンに対してパンチ テストを実行します。

このルールは次のような状況で使用します。

• フレームレイアウトが確定する前に合金と焼き戻しを比較するときのコンセプトデザイン。
• データシートに引張強度は記載されているが、せん断強度が省略されている場合のサプライヤーの引用。
• 亀裂の入った接合部に妥当なせん断許容値を超えて負荷がかかっているかどうかを確認する際の破損解析。

T スロット押出フレームへのせん断強度データの適用

T スロット フレーム設計では、フレームはほとんどの場合、スパンの中央ではなく接合部で最初に破損するため、プロファイル材料のせん断強度が接続部分で最も重要になります。

ボルト締めされた T スロット ジョイントは、ボルトのせん断耐力、T ナットのねじ山ストリップ強度、またはスロットの後ろのプロファイル壁のせん断面積の 3 つの値のうちの最小値によって制限されます。薄肉プロファイルでは、通常、スロット リップが最も弱い面になります。そのため、過負荷がかかったジョイントでは、ファスナーが剪断される前にスロットの変形や亀裂が見られます。

肉厚は合金を変えることなく接合能力を高めるためのレバーです。壁厚 4.5 mm の 4040 プロファイルは、同じスロット形状で薄壁の 1.8 mm バージョンの約 2 倍のせん断面積を提供しますが、材料のせん断強度は両方のケースの 6061-T6 で 207 MPa に留まります。

HS-8-4040W 超高耐久 4040 T スロット アルミニウム プロファイル、壁厚 4.5 mm この 4040 プロファイルの 4.5 mm 肉厚は、薄肉バージョンと比較してせん断面積がほぼ 2 倍となり、肉厚とせん断強度に関する周囲の議論で強調されているように、繰り返し荷重がかかる接合部に強力な選択肢となります。 製品を見る→

ガントリー ブラケット、カンチレバー アーム、およびリフティング ポイントについては、次のように指定します。 耐久性の高い 6061 プロファイル ジョイントゾーンの壁を厚くし、残りのスパンには標準プロファイルを確保します。 6061 と 6063 の比較の簡潔なバージョン: 6063-T5 は軽量フレームに適しており、6061-T6 は繰り返しせん断荷重がかかるジョイントのエンジニアリングのデフォルトです。

HS-10-4545 厚さ 2.4 mm の頑丈な 4545 アルミニウム押出材 ガントリー ブラケットやカンチレバー アームに最適なこの 45x45 プロファイルは、ジョイント容量を追加するための 2.4 mm の壁を提供します。 10.2 mm の T スロットは重いファスナーをサポートし、6061 グレードのせん断性能が重視される用途に適合します。 製品を見る→

許容せん断力を設定したら、適用されるジョイント力と比較する前に、静荷重には少なくとも 2、動的荷重または反転荷重には少なくとも 3 の安全係数を適用します。

アルミニウムのせん断強度に関するよくある質問