Elementi di fissaggio autobloccanti per giunti soggetti a vibrazioni: scelta del meccanismo, limiti di temperatura e riutilizzo, e cosa validare sul giunto reale

Il giunto è caricato in modo da allentarsi da solo?

L'allentamento spontaneo è determinato dal movimento relativo tra le parti serrate perpendicolare all'asse dell'elemento di fissaggio, non dal solo carico assiale. La prova di vibrazione trasversale Junker riproduce esattamente quel movimento e registra carico di serraggio, spostamento trasversale e numero di cicli. Per questo è descritta come metodo diffuso e affidabile per confrontare la sicurezza dei giunti bullonati ⁹. I laboratori di prova usano lo stesso allestimento per confrontare progetti di elementi di fissaggio e sistemi di bloccaggio con sollecitazioni vibratorie controllate. Rilevano che isola il comportamento di allentamento che le prove statiche o di fatica non rilevano ²⁸. Questa distinzione conta quando si scrive il piano di prova. Una prova statica al carico di prova o una prova di fatica sullo stesso giunto può essere superata mentre il giunto continua ad allentarsi in esercizio, perché nessuna delle due applica lo scorrimento trasversale che attiva il meccanismo ²⁸. Se il vostro giunto è soggetto a carico laterale alternato, a vibrazioni di origine rotante o alternativa, o a cicli termici che fanno scorrere il pacco serrato, trattatelo come caso di movimento trasversale. Prescrivete un sistema di bloccaggio anziché un dado semplice. Ciò che le fonti non forniscono è un livello di vibrazione oltre il quale il bloccaggio diventi obbligatorio. In queste evidenze non esiste una soglia di frequenza, ampiezza o direzione che separi i giunti che richiedono un elemento di fissaggio autobloccante da quelli che non lo richiedono. La decisione si basa sui vostri dati di esercizio o su un confronto Junker tra i meccanismi candidati.

Escludere i meccanismi il cui limite di temperatura è inferiore alla temperatura di esercizio del giunto

La temperatura è il primo filtro perché elimina un meccanismo in partenza invece di soppesare una proprietà contro un'altra. Un dado interamente metallico a coppia prevalente blocca deformando le filettature superiori in una forma trilobata. La filettatura del bullone deforma elasticamente il metallo del dado durante l'avvitamento, e la coppia di autobloccaggio nasce da un'interferenza metallo su metallo, senza polimeri ². Un dado con inserto in nylon si affida invece alla resilienza e alla memoria elastica di un inserto in nylon 6/6 stabilizzato al calore. È quell'inserto a mantenere l'efficacia di bloccaggio fino ai 250 °F (≈121 °C) dichiarati ¹⁸. Questa differenza segna il confine. Oltre circa 120 °C l'inserto polimerico esce dal suo intervallo di esercizio usuale ²⁴, mentre il dado interamente metallico è dichiarato per circa 200 °C in continuo con punte di 300 °C ². Se il vostro giunto lavora vicino a scarichi, vapore o calore di processo, l'opzione in nylon decade prima di qualsiasi altro confronto. Notate che si tratta di valori dichiarati da singole fonti, non di un tetto di settore obbligatorio. La soluzione interamente metallica ha i suoi compromessi: coppia di installazione più alta, costo superiore a un dado equivalente con inserto in nylon e forza di bloccaggio leggermente meno costante tra installazioni ripetute ².

Il giunto verrà smontato e rimontato?

Il riutilizzo è il secondo filtro e dipende dalla stessa differenza costruttiva. Il dado interamente metallico a coppia prevalente è dichiarato tollerante a più riutilizzi rispetto a un dado con inserto in nylon, tipicamente per 5–10 cicli prima che il bloccaggio peggiori in modo sensibile ². Del dado con inserto in nylon si indica che il riutilizzo non è raccomandato affatto ²⁴. Se il vostro piano di manutenzione prevede smontaggi programmati — intervalli di ispezione, sostituzione di parti soggette a usura, accesso per la manutenzione in campo — l'inserto in nylon è un componente a vita unica in quel piano. Ogni rimontaggio richiede un dado nuovo. Il dado interamente metallico copre un numero limitato di rimontaggi, ma la cifra di 5–10 cicli è la valutazione di un costruttore. Nessuna fonte qui quantifica quanto bloccaggio residuo rimanga al termine di quell'intervallo ². Per un giunto rimontato più spesso, o in cui la forza di bloccaggio residua dopo ogni rimontaggio debba essere nota, le evidenze non risolvono la questione. Chiedete al fornitore dati di coppia di autobloccaggio misurati dopo il numero di cicli che il vostro piano di manutenzione prevede davvero, invece di accettare il solo numero di cicli.

L'ambiente e l'abbinamento dei materiali ammettono il meccanismo e il suo rivestimento?

Un sistema di bloccaggio che resiste a temperatura e riutilizzo può comunque essere la scelta sbagliata se il giunto si trova in un ambiente aggressivo. In ambiente marino, con sali stradali, fertilizzanti, attività mineraria e lavaggio con acqua, affidarsi alla sola compatibilità dei metalli raramente basta. Va considerato nel suo insieme il sistema integrato di protezione dalla corrosione: materiale di base compatibile, rivestimento protettivo dove opportuno, isolamento elettrico, interfacce sigillate e geometria del giunto che non trattenga umidità ¹³. Una vite in acciaio inossidabile, che sembra un miglioramento rispetto all'acciaio zincato, può creare un accoppiamento galvanico più aggressivo in una cassa in alluminio esposta al sale se il giunto non è isolato ¹³. I rivestimenti non eliminano questo rischio, perché non sono barriere permanenti. Le filettature tagliano, le superfici di appoggio strofinano e gli incavi si deformano durante l'installazione, esponendo zone locali e creando lì celle galvaniche ¹⁴. La stessa logica vale per il materiale di base: i preservanti del legno a base di rame possono accelerare sensibilmente la corrosione delle viti zincate e aumentare l'idrogeno generato dalla corrosione ⁴. Il rapporto tra superfici è l'aspetto più facile da trascurare. La corrosione si concentra su elementi di fissaggio, bulloni e giunzioni di transizione mentre il materiale circostante resta intatto. Una grande superficie catodica abbinata a una piccola area anodica aumenta bruscamente la velocità di corrosione del metallo anodico ²⁵. Gli ambienti costieri e umidi amplificano l'effetto, soprattutto quando il materiale anodico ha la superficie minore ²⁶. Per il vostro giunto questo significa verificare quale lato dell'accoppiamento è quello piccolo — un elemento di fissaggio inossidabile in una grande struttura in alluminio è la direzione sfavorevole — e se il giunto drena o trattiene l'acqua. Se abbinate un elemento di fissaggio inossidabile a una struttura in alluminio o in acciaio al carbonio, definite la scelta dell'accoppiamento galvanico e dell'isolamento prima della richiesta di preventivo (RFQ).

Dimostrate la coppia sul giunto reale, non su un particolare simile

L'attrito determina il carico di serraggio e il carico di serraggio determina la prestazione del giunto. La pila di rivestimenti e lo stato della superficie di accoppiamento determinano quindi ciò che una coppia di installazione produce davvero ¹⁰. Un rivestimento può dare buoni risultati su un elemento di fissaggio sciolto e comportarsi diversamente una volta abbinato a un dado, una rondella, un inserto o una superficie di accoppiamento rivestita. I requisiti di riutilizzo, la velocità di installazione, le funzioni di coppia prevalente e i materiali di appoggio spostano tutti il risultato ¹⁰. Per questo non conviene prendere in prestito dati di coppia da un particolare rivestito simile. Validateli sul giunto reale, soprattutto dove il giunto vede vibrazioni, cicli termici o materiali misti come acciaio in alluminio ¹⁰. La prova coppia-precarico secondo ISO 16047 è il metodo che misura il coefficiente di attrito o il fattore dado alla base di quei valori, con un obiettivo tipico di µ = 0.12–0.18 per sistemi lubrificati ²⁷. Consideratelo un obiettivo tipico dichiarato per sistemi lubrificati, non un valore adottabile per il vostro giunto. La stessa fonte rileva che la misura è critica quando è specificato un carico di serraggio, che è esattamente il caso che state cercando di chiudere ²⁷. Prima del rilascio, il giunto dovrebbe avere un risultato di vibrazione trasversale Junker per il meccanismo scelto e un risultato coppia-precarico per la pila di rivestimenti scelta. Eseguite entrambi sulla configurazione di produzione del giunto, non su una rappresentativa. Se il fornitore cita una coppia senza indicare il coefficiente di attrito e lo stato di accoppiamento su cui è stata misurata, quel valore non è ancora utilizzabile.

Verificate se la durezza dell'elemento di fissaggio lo colloca nell'intervallo di fragilizzazione da idrogeno

La fragilizzazione da idrogeno è più pericolosa negli elementi di fissaggio oltre 39 HRC (380 HV), in particolare nelle classi di resistenza 10.9 e 12.9 e nei dadi di classe 10 e 12. Si manifesta in due forme: fragilizzazione interna introdotta dal decapaggio acido e dalla galvanica, e fragilizzazione ambientale assorbita dall'ambiente di esercizio ¹². I controlli seguenti si applicano quando il giunto combina quell'intervallo di durezza con un rivestimento galvanico o un ambiente di esercizio corrosivo.

• Confermate la classe di resistenza o la durezza dell'elemento di fissaggio e del dado: oltre 39 HRC (380 HV) si trova l'intervallo in cui il rischio è descritto come più pericoloso ¹².
• Se il particolare è rivestito per via galvanica, confermate lo stufaggio post-rivestimento a 190–220 °C per 8–24 ore, avviato entro 4 ore dal rivestimento ¹².
• Chiedete se la strategia di stufaggio è supportata da dati di prova a carico sostenuto su particolari di produzione, poiché carico del forno, tempo e uniformità di temperatura influenzano il risultato ⁶.
• Per gli elementi di fissaggio ad alta resistenza, richiedete una prova di carico di trazione sostenuto secondo ISO 15330, tipicamente al 75 % del carico di prova per almeno 200 ore senza rotture ²⁷.
• Dove l'ambiente di esercizio apporta idrogeno, affrontatelo con la scelta dei materiali, la specifica del rivestimento e la progettazione del giunto anziché con il solo stufaggio ¹².

Applicate il criterio di superamento dichiarato nel valutare il meccanismo

Scelto il meccanismo, la domanda di accettazione è se il suo effetto di bloccaggio sia adeguato. DIN 25201-4 fornisce un criterio dichiarato: almeno l'80 % di un precarico iniziale del 50 % deve rimanere dopo 2000 cicli di carico ⁵. La stessa norma aggiunge prove di riferimento per individuare lo spostamento efficace al quale il bullone inizia ad allentarsi da solo, tre prove di riferimento per confermare quello spostamento e dodici prove di verifica per set di misura. Registrate forza di pretensione, spostamento trasversale e numero di cicli ⁵. Il passo di riferimento conta perché la prova deve essere eseguita a uno spostamento abbastanza grande da far allentare il bullone da solo. Altrimenti il sistema di bloccaggio non viene sollecitato ⁵. La prova Junker secondo DIN 65151 è il metodo più vecchio e ancora diffuso per confrontare la sicurezza dei giunti. La revisione DIN 25201-4 vi aggiunge requisiti più severi di riferimento, verifica e rendicontazione ⁹. I laboratori di prova descrivono la stessa norma come base comune per confrontare i sistemi di bloccaggio quando la resistenza all'allentamento indotto da vibrazioni è critica ²⁸. Usate il criterio come strumento di confronto tra i meccanismi candidati sul vostro giunto, non come certificato di rilascio. Superare la prova al banco non dimostra da solo che il meccanismo tenga sul giunto di produzione. Abbinate il risultato Junker ai dati coppia-precarico del passo precedente prima di approvare il giunto.

Dove le fonti non concordano sull'affidabilità dell'inserto in nylon

Entrambe le posizioni provengono da fornitori che hanno un prodotto su un lato del confronto. S18 è un costruttore di dadi autobloccanti con inserto in nylon, e S24 è un costruttore concorrente di sistemi di bloccaggio a cuneo la cui tabella classifica il proprio prodotto come affidabile e l'inserto in nylon come non affidabile ^{18, 24}. Nessuna delle due è una verifica indipendente, quindi la divergenza non si risolve soppesando le due affermazioni. A risolverla, per il vostro giunto, sarebbe un risultato di vibrazione trasversale sulla configurazione reale, eseguito secondo il criterio DIN 25201-4, con i candidati a inserto in nylon e interamente metallico provati allo stesso spostamento e allo stesso numero di cicli ⁵. Finché non esiste, il confine di temperatura è il discriminante più sicuro, perché le due fonti concordano almeno sul fatto che la prestazione dell'inserto in nylon cala al crescere della temperatura ^{18, 24}.

Domande frequenti

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