Métodos de aperto para fixadores roscados

Um dos principais desafios na montagem aparafusada é conseguir uma pré-carga precisa através de métodos de aperto apropriados. A pré-carga insuficiente causada por processos de aperto imprecisos é uma causa comum de falha na conexão do parafuso. Os projetistas devem estar familiarizados com os princípios e características das principais técnicas de aperto de parafusos. Este artigo apresenta sistematicamente seis métodos principais para controle de pré-carga de parafusos. Deve-se notar que um certo grau de dispersão de pré-carga é inevitável, independentemente do método de aperto adotado, que pertence às características normais do processo.

Seis métodos convencionais são amplamente usados ​​para controlar a pré-carga de threadsfixadores:aperto controlado por torque, aperto controlado por ângulo, aperto controlado por ponto de escoamento, aperto por estiramento de parafusos, aperto térmico e aperto por indicação de tensão.

1. Aperto controlado por torque

O aperto controlado por torque é o método de controle de pré-carga mais comumente usado em aplicações industriais. O torque de aperto nominal necessário para a montagem do parafuso pode ser obtido nas tabelas de torque padrão ou calculado de acordo com a correlação entre o torque de aperto e a pré-carga do parafuso.

Durante o aperto, a haste do parafuso suporta tensão de tração axial e tensão de cisalhamento torcional. As tabelas convencionais de referência de torque geralmente ignoram a tensão de torção e assumem que 75% da tensão total contribui para a tensão axial efetiva. Sob condições de alto atrito, a tensão de torção aumenta significativamente. Quando sobreposta à tensão axial, a tensão equivalente pode exceder a resistência ao escoamento do material e levar à falha do parafuso. Para maior precisão, o processo é controlado de modo que a tensão equivalente combinada atinja aproximadamente 90% do limite de escoamento, garantindo uma montagem segura e confiável ao equilibrar o acoplamento de tensão axial e de torção.

Fixadores de travamento automático dominados por torque, comoporcas de náilon e porcas de fixação mecânicas são amplamente utilizadas em cenários propensos a vibrações para evitar afrouxamentos. Esses fixadores aumentam significativamente a tensão de torção na haste do parafuso durante o aperto e alteram a eficiência de conversão de torque em pré-carga. Portanto, os valores de torque devem ser ajustados adequadamente durante a configuração dos parâmetros.

A principal limitação do aperto controlado por torque é que 85% a 95% do torque aplicado é consumido para superar o atrito da rosca e da superfície do rolamento. Pequenas variações nas condições de atrito podem resultar em desvios substanciais de pré-carga. A aplicação de estabilizadores de fricção em fixadores pode reduzir a dispersão de fricção e melhorar a precisão do aperto.

As medidas padrão para melhorar a precisão do aperto de torque são resumidas a seguir:

1. Evite usar arruelas lisas. O deslizamento relativo entre arruelas e superfícies de contato altera o raio de atrito efetivo e distorce a relação torque-pré-carga. Se for necessária uma área de rolamento maior para reduzir a pressão superficial, os parafusos e porcas flangeadas são preferidos.

2. Determine o torque de aperto através da calibração real. Os extensômetros podem ser acoplados à haste do parafuso para calibração de aperto no local sob condições reais de montagem. As células de carga instaladas sob as cabeças dos parafusos fornecem medição auxiliar, mas são menos precisas que os extensômetros devido às características de contato alteradas.

3. Quando a calibração experimental não estiver disponível, calcule o torque de aperto padrão de forma abrangente com base na tolerância de usinagem do fixador, nas dimensões do rolamento da porca e nas características do torque de travamento. O programa profissional de cálculo de torque TORQUE desenvolvido pela Bolt Science pode realizar cálculos precisos.

4. Especifique os valores de torque de aperto nos desenhos de montagem com uma tolerância padrão de ±5%. Para juntas críticas, use chaves dinamométricas calibradas e realize a verificação do torque pós-montagem.

Diferentes métodos de aperto resultam em níveis distintos de dispersão de pré-carga, entre os quais o controle puro de torque apresenta desvio relativamente grande.

2. Aperto com ângulo controlado

O aperto controlado por ângulo, também conhecido como método de rotação da porca, foi introduzido logo após a Segunda Guerra Mundial para montagem manual e agora é compatível com equipamentos de aperto mecânico. O processo primeiro aperta o parafuso com um torque de assentamento e depois gira a porca em um ângulo predeterminado para levar o parafuso à deformação plástica parcial. Este método reduz efetivamente a flutuação da pré-carga causada pela tolerância do limite de escoamento e fornece melhor consistência da pré-carga do que o aperto por torque puro.

As principais desvantagens incluem a exigência de calibração experimental de ângulos de aperto (sem parâmetros universais aplicáveis) e capacidade de reutilização limitada. Apertos repetidos após a deformação plástica causam facilmente falhas por fadiga dos fixadores.

3. Aperto controlado por ponto de rendimento

Desenvolvida pela SPS e também conhecida como método de controle conjunto, esta técnica oferece uma das mais altas precisões de pré-carga. Minimiza a influência da variação do coeficiente de atrito e atinge uma pré-carga do parafuso altamente consistente.

Derivado do julgamento manual da sensação de aperto, este método adota um sistema de controle eletrônico de alta precisão para coletar dados de torque e ângulo de rotação em tempo real. Ao monitorar a mudança de inclinação do gradiente de torque, o sistema identifica com precisão o ponto de escoamento do parafuso e finaliza o aperto imediatamente para evitar sobrecarga.

Apesar da estabilidade melhorada, ainda existe uma pequena dispersão de pré-carga devido ao atrito da rosca. Maior fricção da rosca aumenta a tensão de torção e reduz a pré-carga axial sob o mesmo limite de rendimento. Este método detecta com precisão o escoamento do parafuso sob o efeito combinado de tensão e torção.

O aperto com ponto de escoamento controlado é amplamente utilizado para componentes críticos, comoparafusos da cabeça do cilindro e parafusos de biela, proporcionando alta pré-carga estável e permitindo dimensionamento otimizado dos parafusos. No entanto, o alto custo das ferramentas de aperto inteligentes dedicadas limita a aplicação generalizada. A pré-carga confiável de alta precisão não pode ser garantida na manutenção em campo sem equipamento profissional adequado.

4. Aperto de alongamento de parafuso

Parafusos de grande diâmetro exigem torque de aperto extremamente alto, o que é difícil para ferramentas convencionais. Para parafusos com diâmetro acima de 20 mm, o alongamento hidráulico é comumente adotado em substituição aos torquímetros hidráulicos, evitando força excessiva de reação de torque e espaço operacional limitado.

Princípio de funcionamento: Um cilindro hidráulico dedicado é montado sobre a porca. A rosca do parafuso ou pino se estende totalmente através da porca e se conecta ao acessório de alongamento. A pressão hidráulica estica o parafuso axialmente para produzir alongamento elástico. Enquanto mantém a carga de alongamento, a porca é girada manualmente e travada no lugar usando um soquete e uma barra de torque.

Este método fornece precisão de pré-carga extremamente alta através do controle preciso da pressão hidráulica. No entanto, ocorre uma pequena perda de pré-carga após a liberação da pressão devido ao rebote elástico. A desmontagem de porcas corroídas ou emperradas continua a ser uma grande dificuldade operacional.

5. Aperto Térmico

O aperto térmico utiliza as características de expansão térmica do metal. O parafuso é aquecido e alongado e a porca é girada e posicionada. Durante o resfriamento, o parafuso tenta se contrair, mas é restringido longitudinalmente pelos componentes fixados, gerando uma pré-carga axial estável.

Os métodos de aquecimento comuns incluem aquecimento direto por chama, bobinas de camisa de aquecimento e elementos de aquecimento com resistência ao carbono. O processo é demorado e a medição precisa da deformação requer resfriamento total até a temperatura ambiente, resultando em baixa eficiência. Raramente é usado em indústrias em geral e só é aplicável para parafusos ultragrandes para serviços pesados.

6. Aperto Indicado por Tensão

Este método adota fixadores indicadores de carga especializados, arruelas indicadoras de carga ou técnicas de detecção de deformação para medir indiretamente o alongamento e a pré-carga do parafuso, abrangendo uma variedade de soluções de montagem de alta precisão.

Os parafusos indicadores de tensão típicos incluem Rotabolt e HiBolt. O Rotabolt apresenta um furo central com um pino de medição interno e uma estrutura de folga giratória. O pino permanece descarregado durante o alongamento elástico; uma vez atingida a pré-carga total, a folga desaparece e a rotação é travada, indicando o aperto correto. O HiBolt adota um princípio semelhante, no qual um leve encolhimento do parafuso fixa o pino central para refletir o status da tensão.

Arruelas indicadoras de carga são amplamente utilizadas em estruturas metálicas de engenharia civil. As saliências pré-fabricadas na superfície da arruela sofrem deformação plástica sob carga. A pré-carga correta é verificada medindo a folga residual com um calibrador de folga. Este tipo de arruela raramente é usado em montagens mecânicas de precisão.

O alongamento do parafuso pode ser medido diretamente usando micrômetros ou detectado com precisão por meio de testes ultrassônicos. Os valores de alongamento podem ser convertidos em tempo realparafusopré-carga através de calibração ou cálculo. Para medição ultrassônica, a cabeça do parafuso e a superfície final requerem retificação para garantir reflexão acústica ideal e precisão de teste.