Tính lực ép trước và lực kẹp của bu lông: mô-men xoắn, ma sát và phương pháp siết

Vì sao thông số mô-men xoắn thực chất là một yêu cầu về ma sát

Khi siết bu lông, chuyển động quay của đầu bu lông được biến thành độ giãn dài của thân bu lông và lực nén các chi tiết. Chỉ một phần nhỏ mô-men đầu vào sinh ra công hữu ích đó. Thử nghiệm mô-men/độ bền kéo cho thấy sự phân bổ: khoảng 10% mô-men đầu vào chuyển thành lực ép trước (preload), khoảng 50% bị tiêu hao dưới đầu bu lông hoặc đai ốc, và khoảng 40% đi vào phần ren ¹. Chính sự phân bổ này khiến một con số mô-men xoắn đơn thuần là cách đặc tả mối nối rất yếu. Phần lớn những gì bạn đang đặt không phải là lực kẹp mà là điều kiện ma sát. Bản thân hệ số ma sát dao động khoảng ±20%. Ngay cả một cờ lê mô-men xoắn cầm tay đã hiệu chuẩn với độ chính xác ±1% cũng vẫn tạo ra mô-men lệch ±10 đến ±50% ⁴. Dầu bôi trơn là đòn bẩy tác động lên ma sát đó. Một loại dầu bôi trơn có ma sát thấp làm giảm ma sát ở cả hai bề mặt tiếp xúc và hạ mô-men cần thiết để đạt cùng lực ép trước ¹. Điều ngược lại mới là cái bẫy: lớp phủ zinc flake được bôi trơn tốt làm thay đổi hệ số ma sát tại bề mặt ren. Áp các giá trị mô-men xoắn dành cho thép khô lên chi tiết liên kết đó sẽ siết quá lực mối nối ¹⁵.

Từ lực kẹp đến mô-men xoắn: quan hệ T = K·D·P

Quan hệ đơn giản hoá giữa mô-men xoắn và lực ép trước là T = K·D·P, trong đó T là mô-men siết, K là hệ số đai ốc, D là đường kính danh nghĩa và P là lực kẹp ⁸. ISO 16047 định nghĩa cùng đại lượng này là hệ số mô-men, K = T/(F·d). Tiêu chuẩn quy định cách đo lực kẹp, hệ số mô-men, tổng ma sát, ma sát ren và ma sát bề mặt tựa, với độ chính xác của máy thử là ±2% ²³. K là chỗ mà ma sát ren và ma sát bề mặt tựa dưới đầu bu lông được gộp vào một con số. Đó là lý do cùng một chiếc bu lông lại cần mô-men khác nhau trong điều kiện bôi trơn khác nhau: số hạng hình học D·P do mối nối quy định, còn K mang phần ma sát. Một ví dụ tính toán do nhà cung cấp công bố dùng K = 0.20 danh nghĩa với biên là 0.18 và 0.22 ¹⁷. Hãy coi K là đầu vào thiết kế phải được biện luận, không phải hằng số. Ví dụ đó nói rõ rằng dải K, dung sai cờ lê, độ chùng ứng suất (relaxation), độ bền tải thử và tải trọng ngoài đều vẫn là các đầu vào phải khớp với mối nối và quy trình lắp ráp thực tế ¹⁷. Nếu không tìm được K cho đúng lớp phủ và dầu bôi trơn của mình, cách trung thực là thử mô-men/độ bền kéo trên chính tổ hợp dùng trong sản xuất thay vì lấy một giá trị trong bảng.

Đặt lực kẹp mục tiêu theo tỷ lệ phần trăm của tải thử

Lực ép trước mục tiêu thường được biểu diễn bằng phần trăm tải thử (proof load) của chi tiết liên kết. Tỷ lệ phần trăm được chọn theo kiểu mối nối chứ không theo cỡ bu lông. Một nguồn đưa ra 75% tải thử cho mối nối có thể tháo mở nhiều lần và 90% cho mối nối cố định, với độ lệch lực kẹp được giữ trong ±3% ⁸. Một nguồn khác nêu rằng phần lớn chi tiết liên kết cần mô-men để đạt 65–80% tải thử ¹⁶. Một ví dụ M12 có tính toán dùng 70% ¹⁷. Ghép các số liệu này lại, dải thực tế là 65–90%, trong đó 70–75% là mục tiêu danh nghĩa thông dụng và 90% dành cho những mối nối sẽ không mở lại ^{8, 16, 17}. Các nguồn không thống nhất một tỷ lệ bắt buộc duy nhất; giá trị phụ thuộc vào kiểu mối nối, tải trọng và tiêu chuẩn áp dụng ^{8, 16, 17}. Hãy xuất phát từ tải thử, không phải từ giới hạn chảy. Khi không có giá trị tải thử, một nguồn tính nó bằng 92% giới hạn chảy ⁸. Tải thử là tải mà chi tiết liên kết chịu được mà không bị biến dạng vĩnh viễn. Vì thế nó là mốc tham chiếu cho lực ép trước mục tiêu chứ không phải độ bền kéo đứt.

Ví dụ tính toán: M12 và M6

Với ren M12 × 1.75 và độ bền tải thử giả định 600 MPa, diện tích mặt cắt ứng suất kéo tính ra là 84.266 mm², cho tải thử 50.560 kN. Ở mục tiêu 70%, lực ép trước danh nghĩa là 35.392 kN, và với K = 0.20 mô-men danh nghĩa là 84.940 N·m ¹⁷. Một con số mô-men duy nhất đó che giấu một dải lực ép trước khá rộng. Dùng biên K là 0.18 và 0.22 cùng dung sai mô-men ±5%, chính mức 84.940 N·m tạo ra lực ép trước ban đầu bất kỳ trong khoảng 30.566 kN đến 41.291 kN ¹⁷. Ví dụ này nói rõ rằng điều đó không biến 84.94 N·m thành một đặc tả mô-men được ban hành ¹⁷. Với một bu lông M6 bằng thép có bôi trơn, phép tính ngắn hơn. Với tải thử khoảng 700 MPa và diện tích mặt cắt ứng suất kéo khoảng 20 mm², tải thử là 14,000 N. Ở mục tiêu 75%, lực ép trước là 10,500 N, và mô-men cần thiết khoảng 7–8 N·m ¹⁶. Lưu ý rằng số liệu M6 được nêu cho điều kiện có bôi trơn — cùng bu lông đó ở trạng thái khô sẽ cần mô-men lớn hơn để đạt cùng lực kẹp.

Cần ghi giả định ma sát và bôi trơn nào lên bản vẽ

Vì K mang phần ma sát, trạng thái bôi trơn là một phần của đặc tả kỹ thuật chứ không phải chi tiết ở xưởng. Nếu bạn ghi một giá trị mô-men tính cho thép khô mà chi tiết liên kết lại đến nơi có bôi trơn, bạn siết quá lực mối nối ¹⁵. Logic tương tự cũng đúng theo chiều ngược lại: dầu bôi trơn làm giảm mô-men cần thiết để đạt lực ép trước mục tiêu. Mô-men tính cho trạng thái khô đơn giản là con số sai đối với một chi tiết có lớp phủ ¹. Cách ghi lớp phủ có thể để yếu tố này không được kiểm soát. Trong ký hiệu lớp phủ zinc flake theo ISO 10683, việc không có ký tự 'L' nghĩa là lớp phủ không chứa thành phần bôi trơn. Hệ số ma sát khi đó không được kiểm soát và quan hệ mô-men–lực kẹp không thể dự đoán ⁷. Nếu cần một quan hệ dự đoán được, hãy chỉ định biến thể '-L' hoặc bổ sung một đặc tả dầu bôi trơn riêng ⁷. Vì vậy bản vẽ nên mang đồng thời ba thứ: lực ép trước hoặc lực kẹp mục tiêu, mô-men suy ra từ một K đã nêu, và điều kiện bôi trơn hoặc lớp phủ mà K giả định. Ở những mối nối nhạy cảm, thử mô-men/độ bền kéo trên đúng tổ hợp chi tiết liên kết, lớp phủ và dầu bôi trơn thực tế là cách xác nhận K mà bạn đã dùng ²³.

Chọn phương pháp siết tương xứng với mức độ quan trọng của mối nối

Kiểm soát mô-men bị ma sát chi phối, và điều đó thể hiện ở độ phân tán của lực ép trước thực tế đạt được. Siết theo kiểm soát mô-men được công bố với độ chính xác ±25–40%, chịu ảnh hưởng của ma sát và tình trạng ren ⁵; các nguồn khác nêu cùng phương pháp này ở ±25–30% ^{25 4}. Kiểm soát góc xoay siết đến một góc xác định tính từ thời điểm các bề mặt đã tiếp xúc sát, nhờ đó loại bỏ phần lớn ảnh hưởng của ma sát, và được công bố ở ±10–15% ^{5, 25}. Đo trực tiếp độ giãn dài của bu lông loại bỏ ma sát khỏi phép đo hoàn toàn và được công bố ở ±3–5% ²⁵. Nếu mối nối của bạn chấp nhận được độ phân tán của phương pháp mô-men thì đây là lựa chọn rẻ nhất, nhanh nhất và phù hợp cho các liên kết không quan trọng ⁵. Khi mức phân tán đó không thể chấp nhận, kiểm soát góc xoay hoặc đo trực tiếp độ giãn dài là nội dung cần đưa vào đặc tả ^{5, 25}. Các nguồn không đưa ra ngưỡng sản lượng hay chi phí để quyết định nâng cấp phương pháp — quyết định dựa trên hậu quả của một sai số lực ép trước, không dựa trên điểm hoà vốn nào được công bố. Có một điều kiện khiến độ phân tán của mô-men tệ hơn con số được nêu: bu lông gỉ hoặc chi tiết liên kết bằng thép không gỉ dễ bó ren có thể cho độ phân tán cao hơn mức ±30% thông thường ⁴. Nếu mối nối của bạn dùng một trong hai, hãy dự trù biên rộng hơn hoặc chuyển sang phương pháp không phụ thuộc ma sát.

Các kiểm tra trước khi chốt đặc tả

Đây là những điều kiện thực tế quyết định phương pháp bạn chọn có thực sự thực hiện được trên dây chuyền hay không.

• Xác nhận khuôn và dụng cụ sản xuất (tooling) cùng tay nghề mà phương pháp đã chọn yêu cầu: kiểm soát mô-men chi phí thấp và dễ làm, kiểm soát góc xoay chi phí trung bình và độ dễ trung bình, kiểm soát độ giãn dài chi phí cao và khó ¹³.
• Kiểm tra xem công trường có đáp ứng được phương pháp hay không — cụm lắp ghép đồng bộ, dụng cụ đúng loại, nguồn điện và nhân sự đã được đào tạo là những điều kiện tiên quyết để lắp đặt có siết trước một cách nhanh và lặp lại được ²⁷.
• Với các cụm lắp ghép độ bền cao quan trọng về an toàn, chừa thời gian chùng ứng suất (relaxation) 24–48 giờ sau lần siết đầu trước khi kiểm tra mô-men lần cuối ¹².
• Quyết định xem bạn có cần giám sát đường cong mô-men hay đo độ giãn dài hay không; cờ lê mô-men xoắn kỹ thuật số có đường cong thời gian thực và thiết bị đo độ giãn dài bằng laser được chào bán như những cách nâng cao độ ổn định của lực ép trước ¹¹.
• Xác minh giá trị K theo đúng tổ hợp lớp phủ và dầu bôi trơn thực tế thay vì một bảng chung, vì các nguồn không cung cấp bộ giá trị K dạng bảng theo từng điều kiện bôi trơn ²³.

Những điểm các nguồn không thống nhất

Hai tranh chấp có ý nghĩa với đặc tả kỹ thuật. Cả hai đều không được các nguồn giải quyết, nên đều là những điểm cần xác minh bằng thử nghiệm hoặc bằng tính toán thay vì chấp nhận từ một bảng.

Câu hỏi thường gặp

Trang liên quan

• Cách xác định mô-men siết và chọn phương pháp siết cho mối nối bắt bu lông
• Siết bu lông theo mô-men xoắn quy định: quy trình, dụng cụ và kiểm tra xác nhận
• Kéo giãn bu lông so với kiểm soát mô-men xoắn về độ chính xác lực ép trước: bằng chứng xác lập được gì
• Tải thử so với giới hạn chảy và độ bền kéo trong lựa chọn bu lông: Những gì bộ bằng chứng xác định
• Chi tiết liên kết tự khóa cho mối nối rung động: chọn cơ chế, giới hạn nhiệt độ và tái sử dụng, và những gì cần kiểm chứng trên mối nối thực tế