Metodi di serraggio a confronto: coppia, angolo e limite elastico

Il metodo di serraggio scelto determina quale forza di serraggio raggiunge effettivamente il giunto e quanto questa forza varia da vite a vite. Le conseguenze di una scelta errata vanno da viti sovradimensionate e guasti prematuri fino a costosi ritiri di prodotto. Questo articolo illustra i tre metodi più importanti con rigore fisico, ne confronta i parametri chiave e mostra quando ciascuno di essi ha senso.

La base: perché la coppia di serraggio da sola non è sufficiente

La coppia di serraggio non è una misura diretta della forza di serraggio. Quando si stringe una vite, la coppia applicata MA si suddivide in tre componenti: vincere il passo della filettatura, l'attrito nella filettatura (MG) e l'attrito sotto la testa della vite o del dado (MK). Solo una piccola frazione della coppia genera effettivamente forza assiale di serraggio.

Circa il 90 % della coppia di serraggio viene consumato dall'attrito; solo circa il 10 % genera forza di serraggio. Il coefficiente di attrito è quindi il parametro dominante e, nella pratica, varia considerevolmente: la rugosità superficiale, il lubrificante, il rivestimento e la temperatura lo influenzano in modo significativo. Controllare unicamente la coppia significa controllare soprattutto l'attrito, non la forza di serraggio.

È proprio qui che entrano in gioco i metodi di serraggio avanzati.

I tre metodi nel dettaglio

1. Serraggio controllato per coppia

Il serraggio controllato per coppia è il metodo più diffuso. La vite viene stretta fino a raggiungere una coppia obiettivo MA specificata, dopodiché l'utensile si arresta. L'attrezzatura è semplice ed economica e la sua implementazione è immediata.

Limitazione fisica: poiché le variazioni di attrito si ripercuotono direttamente sulla forza di serraggio, la precisione raggiungibile è limitata. Con il serraggio controllato per coppia, il fattore di serraggio αA si colloca tipicamente tra 1,4 e 2,0, il che significa che la forza di serraggio massima può essere il doppio di quella minima. Nella pratica, ciò equivale a una dispersione della forza di serraggio di ±50 %.

Per garantire in modo affidabile la forza di serraggio minima, la vite deve essere dimensionata per il caso più sfavorevole (attrito massimo). Questo implica che la vite non venga sfruttata in modo ottimale nelle condizioni normali e che il giunto debba essere dimensionato in modo conservativo.

Applicazioni tipiche: giunti non critici per la sicurezza, piccole serie di produzione, lavori di riparazione, giunti con condizioni di attrito ben controllate.

2. Serraggio controllato per coppia e angolo

Questo metodo combina due variabili di controllo. In primo luogo viene applicata una coppia di assestamento definita per stabilizzare il giunto e minimizzare il rilassamento per incassamento. Da quel punto ha inizio la misurazione vera e propria dell'angolo: la vite ruota di un angolo φ precalcolato oltre il punto di assestamento.

Vantaggio fisico: l'allungamento della vite - e quindi la forza di serraggio - è proporzionale all'angolo di rotazione nel campo elastico. Poiché l'influenza dell'attrito viene in gran parte eliminata una volta raggiunta la coppia di assestamento, la dispersione della forza di serraggio è significativamente inferiore rispetto al controllo puro per coppia. Con il serraggio controllato per angolo, il fattore di serraggio αA scende fino a collocarsi tra 1,1 e 1,3.

La vite può essere serrata nel campo elastico o in quello plastico. Nel campo plastico, gli errori angolari hanno un effetto minimo sulla dispersione della coppia, il che migliora ulteriormente la precisione del metodo. Il serraggio controllato per coppia e angolo è lo standard consolidato nell'industria automobilistica.

Prerequisito: l'angolo di rotazione deve essere calcolato o determinato empiricamente per ogni configurazione di giunto. Ciò richiede la conoscenza della rigidità della vite e della lunghezza di serraggio. La base più affidabile per questo è una curva coppia-angolo completa ottenuta dall'analisi del giunto.

Applicazioni tipiche: giunti rilevanti per la sicurezza nella produzione in serie (automotive, ingegneria meccanica), giunti con condizioni di attrito variabili.

3. Serraggio controllato per limite elastico

Il serraggio controllato per limite elastico (YCT, dall'inglese Yield Control Tightening) è il metodo fisicamente più esigente. La vite viene serrata deliberatamente fino al campo plastico, fino al limite elastico o appena oltre. L'obiettivo: massimo sfruttamento della vite con minima dispersione della forza di serraggio.

Come viene rilevato il limite elastico: durante il serraggio vengono registrati in continuo la coppia e l'angolo. Nel campo elastico, la coppia aumenta in modo quasi lineare con l'angolo crescente: la curva coppia-angolo presenta una pendenza costante (gradiente). Man mano che la vite si avvicina al limite elastico, la pendenza della curva diminuisce: la coppia sale con minore intensità per lo stesso incremento angolare. La stazione di serraggio identifica il punto di flesso della curva coppia-angolo al limite elastico mediante la valutazione continua del gradiente e arresta il processo di serraggio in quel punto.

Questo arresto basato sul gradiente rende il metodo in gran parte indipendente dall'attrito: il limite elastico è una proprietà del materiale della vite, non una funzione dell'attrito.

Una caratteristica fisica dopo il serraggio: durante il serraggio rotazionale, la vite sviluppa non solo tensione di trazione ma anche tensione di torsione dovuta all'attrito nella filettatura. Il limite elastico viene raggiunto quindi attraverso la tensione equivalente combinata di trazione e torsione. Immediatamente dopo il serraggio, la componente di torsione si riduce di circa il 50 %, mentre la forza di serraggio rimane invariata; il giunto recupera così una riserva elastica. Questo spiega perché i giunti serrati per limite elastico non cedono nella pratica.

Con il serraggio controllato per limite elastico, il fattore di serraggio αA scende fino a collocarsi tra 1,0 e 1,05; la dispersione della forza di serraggio è inferiore al 5 %.

Limitazione: poiché la vite subisce una deformazione plastica, il suo riutilizzo è possibile solo in modo limitato. Il metodo richiede inoltre viti con un limite elastico definito e riproducibile (classi di resistenza 8.8-12.9 secondo VDI 2230) e utensili in grado di acquisire simultaneamente coppia e angolo con risoluzione sufficiente.

Applicazioni tipiche: giunti altamente sollecitati e critici per la sicurezza; giunti in cui il peso del componente o lo spazio di installazione richiedono il massimo sfruttamento della vite; aerogeneratori, giunti strutturali in ambito automotive.

Tabella comparativa: i tre metodi a colpo d'occhio

Criteri di decisione: quale metodo per quale giunto?

La scelta del metodo non è una questione di convenienza, ma una decisione tecnica determinata dalla classe di sicurezza, dal costo del componente, dal volume di produzione e dai requisiti di dispersione.

Orientamento secondo VDI/VDE 2862

VDI/VDE 2862 definisce tre classi di giunto (A, B, C) e specifica i requisiti minimi per gli utensili di serraggio e il monitoraggio del processo, differenziati per sicurezza, disponibilità e tutela ambientale. La classificazione inizia nella fase di progettazione: chi sottovaluta la rilevanza di rischio di un giunto filettato può selezionare un metodo che non soddisfa i requisiti minimi normativi.

• Classe C (senza rilevanza per la sicurezza): il serraggio controllato per coppia è generalmente sufficiente.
• Classe B (rilevanza funzionale, rilevanza limitata per la sicurezza): si raccomanda il serraggio controllato per coppia e angolo; il controllo solo per coppia è ammesso unicamente con una banda di tolleranza stretta e un coefficiente di attrito documentato.
• Classe A (critica per la sicurezza): devono essere monitorati sia la coppia sia l'angolo; il serraggio controllato per limite elastico offre il massimo livello di affidabilità del processo.

La curva coppia-angolo come base per la selezione del metodo

Indipendentemente dal metodo utilizzato, la curva coppia-angolo è lo strumento di analisi centrale. Mostra come evolve la coppia di serraggio in funzione dell'angolo di rotazione e rende visibile ciò che accade realmente nel giunto: rilassamento per incassamento, variazioni di attrito, inizio dello snervamento o errori geometrici nel giunto.

Per il serraggio controllato per limite elastico, la curva è la variabile di controllo: il gradiente viene valutato in tempo reale e il punto di arresto viene posizionato nel punto di flesso della curva. Per il serraggio controllato per angolo, la curva fornisce la base per calcolare l'angolo di serraggio. E per il serraggio controllato per coppia, mostra se le condizioni di attrito sono sufficientemente stabili da consentire un impiego affidabile del metodo.

Lo strumento di analisi QUANTEC MCS® di GWK registra simultaneamente coppia e angolo, con misurazione dell'angolo senza punto di riferimento fisso che acquisisce l'angolo in modo indipendente da un punto di partenza definito. Questo è particolarmente rilevante quando la sequenza di serraggio non inizia in una posizione esattamente riproducibile. La curva coppia-angolo completa è immediatamente disponibile per la valutazione: come base per la selezione del metodo in fase di sviluppo, per la validazione del processo nel controllo qualità e per la parametrizzazione degli utensili di produzione.

La precisione del QUANTEC MCS® è ±1 % tra il 10 % e il 100 % del campo nominale, un prerequisito per una valutazione affidabile del gradiente nel serraggio controllato per limite elastico. Le curve registrate possono essere valutate e archiviate direttamente in QuanLab Pro®.

Connessione con VDI 2230: il fattore di serraggio come parametro di progetto

VDI 2230 Parte 1 è la direttiva di riferimento per la progettazione di giunti filettati ad alta sollecitazione. Il fattore di serraggio αA svolge un ruolo centrale nella sua procedura di calcolo: moltiplica la forza di serraggio minima richiesta e determina così il carico massimo sulla vite.

Un valore αA elevato significa che la vite deve essere dimensionata per una forza massima significativamente superiore a quella che richiederebbe la sola forza di serraggio minima. Questo porta a viti più grandi, componenti più pesanti e costi più elevati. Il serraggio controllato per limite elastico e per angolo raggiunge un fattore di serraggio prossimo a 1; con il serraggio limitato per coppia, il fattore può arrivare fino a 4,0 in funzione dell'utensile. La scelta del metodo ha quindi un impatto diretto sulla progettazione del componente: una vite più piccola serrata con controllo per limite elastico può svolgere la stessa funzione di una vite più grande serrata con controllo per coppia.

Conclusione: metodo e utensile devono funzionare insieme

I tre metodi di serraggio non sono opzioni intercambiabili: hanno fondamenti fisici diversi, esigenze differenti in termini di utensili e processo, e conseguenze diverse per la progettazione del componente.

• Controllo per coppia: semplice ed economico, ma dipendente dall'attrito e soggetto ad alta dispersione. Sufficiente per giunti non critici con condizioni di attrito stabili.
• Controllo per coppia e angolo: riduce significativamente l'influenza dell'attrito, ma richiede una parametrizzazione accurata basata sulla curva coppia-angolo. Lo standard per i giunti in serie rilevanti per la sicurezza.
• Controllo per limite elastico: offre la minore dispersione e il massimo sfruttamento della vite, ma richiede tecnologia di misura precisa e viti con un limite elastico definito. Deve essere accettato il carattere monouso della vite.

La curva coppia-angolo collega i tre metodi: è al tempo stesso strumento di analisi, base di parametrizzazione e registro del processo. Chi la trascura prende decisioni sul metodo basandosi su supposizioni, non su dati.

Accuracy by GWK.