Nelle reali condizioni di assemblaggio, la forza di serraggio tra i componenti collegati e il precarico assiale dei bulloni non possono essere misurati direttamente o controllati con precisione. Pertanto, il settore adotta generalmente metodi di controllo indiretto basati sulla coppia-per ottenere un controllo del precarico standardizzato. Questo articolo spiega sistematicamente i principali metodi di controllo del serraggio dei bulloni basati sulla relazione meccanica tra coppia e forza di serraggio durante il serraggio.
1. Principio della coppia del bullone e della forza di serraggio
Quando si applica una coppia di serraggio a un bullone, il gambo viene allungato elasticamente, generando una forza di serraggio assiale per fissare il giunto. La formula di base della coppia è definita come: Coppia (M)=Forza (F) × Momento Braccio (L). Teoricamente, un angolo di rotazione maggiore produce una coppia maggiore; tuttavia, la maggior parte della coppia applicata viene consumata dall'attrito durante il funzionamento effettivo.
Il serraggio generale dei bulloni segue ilRegola di distribuzione della coppia 50-40-10: Il 50% della coppia supera l'attrito sotto la testa del bullone, il 40% supera l'attrito della coppia di filetti e solo il 10% viene effettivamente convertito in forza di serraggio assiale utilizzabile.
Ad esempio, quando un bullone viene serrato a 10 N·m per requisito di processo, solo circa 1 N·m contribuisce a un bloccaggio assiale efficace, mentre la maggior parte della coppia viene persa a causa dell'attrito.
Questo rapporto di distribuzione della coppia non è fisso. Danni alla filettatura, sbavature, sporco e contaminanti superficiali aumenteranno significativamente la perdita di attrito. In condizioni di filettatura difettosa, la distribuzione cambia al 50% di attrito della testa, al 45% di attrito della filettatura e solo al 5% di forza di serraggio effettiva.
In questi casi, sebbene la coppia di serraggio monitorata soddisfi lo standard, la forza di serraggio effettiva è gravemente insufficiente, con il risultatofalso serraggio. Se applicato a parti mobili ad alta-velocità come volani e alberi a gomiti, un serraggio errato provoca facilmente l'allentamento o il distacco dei bulloni e porta al guasto dell'apparecchiatura.
Oltre ai difetti della filettatura, le guarnizioni elastiche morbide causano anche il decadimento della coppia e la perdita di precarico, nota come attenuazione della coppia-del giunto morbido. I comuni componenti morbidi come le guarnizioni della testata e le guarnizioni della coppa dell'olio si deformano e si rilassano sotto compressione continua, con conseguente riduzione graduale del precarico. I processi di riserraggio secondario sono ampiamente adottati per ridurre al minimo l'attenuazione della forza di serraggio per gli assemblaggi con giunti morbidi.
Una coppia più elevata non significa sempre un fissaggio migliore. Un serraggio eccessivo allunga il bullone oltre il suo limite elastico e induce deformazione plastica. Una volta che la sollecitazione supera il limite di snervamento, il bullone subisce una frattura permanente e perde completamente la capacità di fissaggio.
2. Sei metodi di controllo del serraggio dei bulloni tradizionali
2.1 Metodo di controllo della coppia
Il metodo del controllo della coppia è la strategia di serraggio più semplice e più utilizzata. Il suo principio fondamentale è il rapporto proporzionale tra coppia di serraggio e precarico assiale, espresso dalla formula:T=K·F, dove T=coppia di serraggio, F=precarico assiale e K=coefficiente di coppia.
Una volta finalizzata la progettazione del bullone, il precarico assiale target F viene fissato e la coppia di serraggio standard T può essere calibrata. Tuttavia, i valori di coppia qualificati non sempre garantiscono una qualità di assemblaggio qualificata, principalmente a causa delle fluttuazioni del coefficiente di coppia K.
Il coefficiente di coppia K è altamente sensibile al coefficiente di attrito complessivo, che è influenzato dalla precisione del bullone, dal danneggiamento della filettatura, dalla contaminazione e dalle condizioni della superficie. Anche la temperatura gioca un ruolo fondamentale. Gli esperimenti di Sumitomo Japan dimostrano che il coefficiente di coppia K diminuisce dello 0,31% per ogni aumento di 1 grado della temperatura ambiente.
Secondo i rapporti di prova della VDI (Associazione degli ingegneri tedeschi), anche con errore di coppia pari a zero, l'errore di precarico assiale sotto puro controllo di coppia può raggiungere ±27,2%, indicando una precisione limitata.
Caratteristiche dell'applicazione: Il serraggio viene eseguito entro ilbulloneregione elastica. La coppia target è generalmente fissata tra il 50% e l'85% della coppia di snervamento. Circa il 90% della coppia applicata supera l'attrito, determinando una precisione di precarico di ±25%.
Vantaggi: Funzionamento semplice, economico e ispezionabile con chiavi dinamometriche standard, adatto per assemblaggi generali di massa.
Svantaggi: Bassa precisione di serraggio, utilizzo insufficiente del materiale ed elevata sensibilità alla temperatura, alle condizioni della filettatura e alla contaminazione della superficie, con conseguente scarsa stabilità.
2.2 Metodo di controllo della coppia-angolo (metodo TA/controllo super-elastico)
Il metodo di controllo della coppia-angolo è una strategia di serraggio ad alta-precisione aggiornata basata sul controllo di coppia di base. Il processo consiste in due fasi: in primo luogo, serrare il bullone a una coppia preliminare preimpostata (tipicamente il 40%–60% della coppia standard, determinata attraverso la convalida del processo) per eliminare gli spazi tra i giunti e garantire il contatto completo della superficie; quindi ruotare il bullone di un angolo specificato per ottenere un allungamento assiale preciso.
La rotazione ad angolo-fisso controlla con precisione l'allungamento del bullone e la compressione del giunto, eliminando il contatto superficiale irregolare e l'incoerenza dell'attrito. Nella seconda fase di serraggio, il precarico è determinato con precisione dall'angolo di rotazione, riducendo notevolmente le interferenze di attrito e ottenendo una precisione molto più elevata rispetto al puro controllo della coppia.
Questo metodo richiede strumenti di serraggio elettrici dotati di motori, trasmissioni a ingranaggi e sensori ad alta-precisione per impostare con precisione la coppia preliminare e gli angoli di rotazione per le linee di produzione di precisione.
Caratteristiche dell'applicazione: Serraggio in due-fasi (inizializzazione della coppia + rotazione dell'angolo) all'interno del campo elastico. I parametri iniziali di coppia e angolo richiedono una calibrazione sperimentale. La precisione del precarico raggiunge ±15%.
Vantaggi: Maggiore precisione di serraggio e forza di serraggio assiale stabile, adatti per l'assemblaggio di componenti di media e alta-precisione.
Svantaggi: Sistema di controllo complesso che richiede il doppio monitoraggio di coppia e angolo; difficile verifica della qualità con strumenti di ispezione convenzionali.
2.3 Metodo di controllo del punto di snervamento (metodo TG)
Il metodo di controllo del punto di snervamento è una tecnologia di serraggio ad alta-precisione basata sulle proprietà della plastica del materiale. Monitora continuamente la pendenza della curva coppia-angolo per identificare la soglia di snervamento del bullone e interrompe il serraggio immediatamente una volta raggiunto il punto di snervamento.
Nella fase di serraggio iniziale, la pendenza della coppia-dell'angolo aumenta rapidamente e poi si stabilizza all'interno dell'intervallo elastico. Man mano che il bullone si avvicina allo snervamento plastico, la pendenza diminuisce gradualmente. Il serraggio si interrompe automaticamente quando la pendenza scende al 50% del suo valore massimo, indicando il punto di snervamento.
Rispetto al serraggio della regione elastica, il serraggio della regione di snervamento riduce al minimo gli errori di precarico causati dalla deviazione dell'angolo, massimizza l'utilizzo del materiale ed elimina le interferenze di attrito.
Caratteristiche dell'applicazione: monitoraggio della coppia e del gradiente in tempo reale-; precisione del precarico entro ±8%; i bulloni raggiungono uno stato critico di snervamento e non possono essere riutilizzati dopo il serraggio.
Vantaggi: Precisione estremamente elevata, eccellente stabilità del precarico e pieno sfruttamento della resistenza meccanica del bullone.
Svantaggi: richiede apparecchiature di precisione di fascia alta-con costi elevati; fortemente dipendente dal carico di snervamento costante dei bulloni e dalla qualità delle materie prime.
2.4 Metodo di controllo dell'angolo del sedile-(metodo SPA)
Il metodo Seat-Point Angle (SPA) è una tecnica di serraggio avanzata ad alta-precisione ottimizzata dal metodo TA convenzionale. A differenza del punto iniziale di coppia fissa-utilizzato nel controllo TA, SPA calcola l'origine precisa della sede attraverso l'intersezione della pendenza della curva di coppia lineare-e l'asse orizzontale, eliminando la deviazione iniziale della coppia.
I test confermano che le curve di coppia-angolo variano in modo significativo in base a diversi coefficienti di attrito, mentre il punto di riferimento del sedile rimane quasi costante. La rotazione da un punto di sede unificato elimina efficacemente gli errori di precarico causati dalle differenze di attrito e dalla deviazione della coppia iniziale, offrendo una precisione maggiore rispetto al metodo TA.
Vantaggi fondamentali: compensa gli errori di coppia nella fase iniziale-e i disturbi di attrito, migliorando significativamente l'uniformità e la precisione del serraggio per applicazioni ad alta-affidabilità come l'assemblaggio di apparecchiature aerospaziali e di precisione.
2.5 Metodo di controllo dell'allungamento del bullone (metodo QA)
Il metodo di controllo dell'allungamento del bullone determina direttamentebulloneprecarico misurando l'allungamento del gambo. Il rilevamento a ultrasuoni è l'approccio tradizionale, che utilizza la relazione lineare tra la frequenza dell'eco ultrasonico e la lunghezza di allungamento dei bulloni per quantificare con precisione l'allungamento e lo stato di snervamento.
Questo metodo evita l'interferenza indiretta della coppia e dell'attrito, con solo piccoli errori causati dalle differenze individuali nella resistenza allo snervamento dei bulloni. Va notato che le curve di frequenza ultrasonica differiscono durante il serraggio e l'allentamento; la frequenza di salita sotto precarico è inferiore alla frequenza di rilascio durante l'allentamento, richiedendo una taratura differenziata.
2.6 Metodo di controllo del gradiente di coppia
Il metodo di controllo del gradiente di coppia monitora le variazioni di pendenza in tempo reale-della curva dell'angolo di coppia-per controllare con precisione il precarico iniziale, mirando alla forza assiale di snervamento del bullone. Viene applicato in assemblaggi di standard elevato- che richiedono una dispersione minima del precarico e il massimo utilizzo della resistenza del materiale.
La sua logica di controllo è simile al controllo dell'angolo della regione-della plastica, ma fornisce una regolazione del punto di snervamento-più accurata, riducendo il degrado delle prestazioni causato dalla deformazione plastica ripetuta. Offre una stabilità superiore rispetto ai tradizionali metodi di serraggio in plastica.
Svantaggi: richiede apparecchiature di serraggio sofisticate e costose con requisiti di debug e calibrazione del processo ad alta-precisione.
