Calcolare il precarico e la forza di serraggio dei bulloni: coppia, attrito e metodo di serraggio

Perché una cifra di coppia è soprattutto una specifica di attrito

Quando si serra un bullone, il movimento rotatorio della testa si trasforma in allungamento del bullone e compressione delle parti. Solo una piccola quota della coppia applicata compie questo lavoro utile. Una prova coppia/trazione evidenzia la ripartizione: circa il 10 % della coppia applicata diventa precarico, circa il 50 % viene assorbito sotto la testa o il dado e circa il 40 % finisce nella filettatura ¹. È per questo che una cifra di coppia nuda e cruda è una specifica debole per un giunto. Quello che si sta fissando è in gran parte una condizione di attrito, non una forza di serraggio. I coefficienti d'attrito stessi variano di circa ±20 %. Anche una chiave dinamometrica manuale calibrata a ±1 % finisce per applicare una coppia che devia da ±10 a ±50 % ⁴. La lubrificazione è la leva su questo attrito. Un lubrificante a basso attrito riduce l'attrito su entrambe le interfacce e abbassa la coppia necessaria per raggiungere lo stesso precarico ¹. Il contrario è la trappola: un rivestimento zincato a lamelle di zinco ben lubrificato sposta il coefficiente d'attrito sull'interfaccia della filettatura. Valori di coppia per acciaio a secco applicati a questo elemento di fissaggio sovrasollecitano il giunto ¹⁵.

Dalla forza di serraggio alla coppia: la relazione T = K·D·P

La relazione semplificata tra coppia e precarico è T = K·D·P, dove T è la coppia di serraggio, K il fattore dado, D il diametro nominale e P il carico di serraggio ⁸. La ISO 16047 definisce la stessa grandezza come coefficiente di coppia, K = T/(F·d). Normalizza il modo in cui si misurano la forza di serraggio, il coefficiente di coppia, l'attrito totale, l'attrito della filettatura e l'attrito sotto testa, con una precisione della macchina di prova di ±2 % ²³. K è il valore in cui l'attrito della filettatura e l'attrito di appoggio sotto testa vengono compressi in un unico numero. Per questo lo stesso bullone richiede una coppia diversa con una lubrificazione diversa: il termine geometrico D·P è fissato dal giunto e K porta l'attrito. Un esempio di calcolo pubblicato da un fornitore usa K = 0.20 nominale con limiti di 0.18 e 0.22 ¹⁷. Trattare K come un dato di progetto da giustificare, non come una costante. L'esempio di calcolo dichiara esplicitamente che l'intervallo di K, la tolleranza della chiave, il rilassamento, la resistenza di prova e il carico esterno restano dati di ingresso che devono corrispondere al giunto reale e al processo di assemblaggio ¹⁷. Se non si riesce a reperire un K per il rivestimento e il lubrificante esatti, la via onesta è una prova coppia/trazione sulla combinazione di produzione invece di un valore da tabella.

Definire la forza di serraggio obiettivo come frazione del carico di prova

Il precarico obiettivo si esprime normalmente come percentuale del carico di prova dell'elemento di fissaggio. La percentuale si sceglie in base al tipo di giunto, non alla dimensione del bullone. Una fonte indica il 75 % del carico di prova per giunti smontabili e il 90 % per giunti permanenti, con scostamento del carico di serraggio contenuto entro ±3 % ⁸. Un'altra afferma che la maggior parte degli elementi di fissaggio richiede una coppia tale da raggiungere il 65–80 % del carico di prova ¹⁶. Un esempio svolto su M12 usa il 70 % ¹⁷. Lette insieme, queste indicazioni danno una banda pratica del 65–90 %, con 70–75 % come obiettivo nominale usuale e 90 % riservato ai giunti che non verranno riaperti ^{8, 16, 17}. Le fonti non stabiliscono un'unica percentuale obbligatoria; il valore dipende dal tipo di giunto, dal carico e dalla norma applicabile ^{8, 16, 17}. Si parte dal carico di prova, non dal limite di snervamento. Dove non è indicato un valore di carico di prova, una fonte lo calcola come 92 % del limite di snervamento ⁸. Il carico di prova è il carico che l'elemento di fissaggio può sopportare senza deformazione permanente. Per questo è il riferimento per un precarico obiettivo e non la resistenza a rottura.

Esempi svolti: M12 e M6

Per una filettatura M12 × 1.75 con una resistenza di prova ipotizzata di 600 MPa, l'area resistente di trazione risulta 84.266 mm², con un carico di prova di 50.560 kN. Con un obiettivo del 70 %, il precarico nominale è 35.392 kN e, con K = 0.20, la coppia nominale è 84.940 N·m ¹⁷. Quella singola cifra di coppia nasconde una banda di precarico ampia. Usando i limiti di K di 0.18 e 0.22 con una tolleranza di coppia di ±5 %, lo stesso 84.940 N·m produce un precarico iniziale compreso tra 30.566 kN e 41.291 kN ¹⁷. L'esempio chiarisce che questo non trasforma 84.94 N·m in una specifica di coppia rilasciata ¹⁷. Per un bullone M6 in acciaio lubrificato il calcolo è più breve. Con un carico di prova di circa 700 MPa e un'area resistente di trazione di circa 20 mm², il carico di prova è 14,000 N. Con un obiettivo del 75 % il precarico è 10,500 N e la coppia necessaria è di circa 7–8 N·m ¹⁶. Si noti che il valore M6 è indicato per la condizione lubrificata: lo stesso bullone a secco richiederebbe più coppia per la stessa forza di serraggio.

Quale ipotesi di attrito e lubrificazione va scritta sul disegno

Poiché K porta l'attrito, lo stato di lubrificazione fa parte della specifica e non è un dettaglio di officina. Se si scrive un valore di coppia calcolato per acciaio a secco e l'elemento di fissaggio arriva lubrificato, il giunto viene sovrasollecitato ¹⁵. La stessa logica vale al contrario: un lubrificante riduce la coppia necessaria per raggiungere il precarico obiettivo. Una coppia calcolata a secco è semplicemente il numero sbagliato per un particolare rivestito ¹. Le indicazioni di rivestimento possono lasciare questo aspetto fuori controllo. In una designazione zincata a lamelle di zinco secondo ISO 10683, l'assenza del carattere «L» significa che il rivestimento non contiene alcun componente lubrificante. Il coefficiente d'attrito è fuori controllo e la relazione coppia-tensione non è prevedibile ⁷. Se serve una relazione prevedibile, specificare la variante «-L» o aggiungere una specifica separata del lubrificante ⁷. Il disegno deve quindi riportare tre elementi insieme: il precarico o la forza di serraggio obiettivo, la coppia derivata da un K dichiarato e la condizione di lubrificazione o rivestimento che quel K presuppone. Dove il giunto è sensibile, una prova coppia/trazione sulla combinazione reale di elemento di fissaggio, rivestimento e lubrificante è il modo per confermare il K utilizzato ²³.

Scegliere un metodo di serraggio adeguato alla criticità del giunto

Il controllo a coppia è dominato dall'attrito, e questo si manifesta come dispersione del precarico effettivamente ottenuto. Per il serraggio controllato a coppia si dichiara una precisione di ±25–40 %, influenzata dall'attrito e dalle condizioni della filettatura ⁵; altre fonti indicano ±25–30 % per lo stesso metodo ^{25 4}. Il controllo a coppia-angolo serra fino a un angolo oltre l'accoppiamento, il che elimina la maggior parte del contributo dell'attrito, ed è dichiarato a ±10–15 % ^{5, 25}. La misura diretta dell'allungamento del bullone elimina del tutto l'attrito dalla misura ed è dichiarata a ±3–5 % ²⁵. Se il giunto tollera la dispersione del metodo a coppia, questa è l'opzione più economica e rapida ed è adatta ai collegamenti non critici ⁵. Dove tale dispersione non è accettabile, il controllo a coppia-angolo o la misura diretta dell'allungamento sono la specifica da scrivere ^{5, 25}. Le fonti non forniscono una soglia di volume o di costo oltre la quale passare a un metodo superiore: la decisione dipende dalla conseguenza di un errore di precarico, non da un punto di pareggio pubblicato. Una condizione peggiora la dispersione della coppia rispetto al valore dichiarato: bulloni arrugginiti o elementi di fissaggio in acciaio inossidabile soggetti a grippaggio possono presentare una dispersione superiore al ±30 % tipico ⁴. Se il giunto usa l'uno o l'altro, prevedere più margine o passare a un metodo che non dipende dall'attrito.

Verifiche prima di fissare la specifica

Queste sono le condizioni pratiche che decidono se il metodo scelto è realmente eseguibile in linea.

• Confermare l'attrezzatura (tooling) e la qualifica richieste dal metodo scelto: il controllo a coppia è economico e semplice, il controllo ad angolo ha costo e difficoltà medi, il controllo dell'allungamento è costoso e difficile ¹³.
• Verificare che lo stabilimento possa sostenere il metodo: assiemi appaiati, utensili corretti, alimentazione elettrica e personale formato sono prerequisiti per un'installazione pretensionata rapida e ripetibile ²⁷.
• Per gli assiemi ad alta resistenza critici per la sicurezza, prevedere un periodo di rilassamento di 24–48 ore dopo il serraggio iniziale prima del controllo finale della coppia ¹².
• Decidere se serve il monitoraggio della curva di coppia o la misura dell'allungamento; le chiavi dinamometriche digitali con curve in tempo reale e la misura dell'allungamento laser sono offerte come modi per migliorare la coerenza del precarico ¹¹.
• Verificare il valore di K sulla combinazione reale di rivestimento e lubrificante invece che su una tabella generica, poiché le fonti non forniscono alcun insieme tabulato di K per condizione di lubrificazione ²³.

Dove le fonti sono in disaccordo

Due controversie contano per la specifica. Nessuna delle due è risolta dalle fonti, quindi entrambe vanno verificate con una prova o con un calcolo e non accettate da una tabella.

Domande frequenti

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