Misurare la forza di serraggio senza banco prova: 3 metodi realmente applicabili in produzione

Come può sapere se un giunto avvitato raggiunge davvero la forza di serraggio richiesta? La risposta onesta è: nella maggior parte delle linee di produzione questo non viene verificato direttamente. Come abbiamo già mostrato nel nostro articolo Forza di serraggio vs. coppia: perché forse state misurando la grandezza sbagliata, circa il 90 % della coppia applicata si perde in attrito. Solo la parte restante genera effettivamente forza di serraggio - la grandezza davvero determinante per la sicurezza della connessione.

Allestire un banco prova classico con cella di carico è possibile, ma nella produzione in serie continua non è né pratico né economicamente sostenibile. La buona notizia: esistono tre metodi concretamente utilizzabili che consentono di misurare o stimare la forza di serraggio anche senza banco prova stazionario. Ognuno ha punti di forza e limiti chiari - e la scelta giusta dipende sempre dal suo specifico caso applicativo.

Metodo 1: Misurazione a ultrasuoni - Alta precisione, elevato impegno

Come funziona il metodo

La misurazione a ultrasuoni sfrutta il cosiddetto effetto acusto-elastico: quando una vite è sottoposta a tensione assiale, cambia il tempo di propagazione di un'onda ultrasonora longitudinale lungo il gambo della vite. L'onda percorre tutta la lunghezza della vite, viene riflessa all'estremità e nuovamente rilevata dal trasduttore a ultrasuoni.

Dalla variazione del tempo di volo tra lo stato non serrato e quello serrato si ricava l'allungamento - e da questo, la forza di serraggio.

Vantaggi

• Misura diretta dell'allungamento della vite: il metodo lavora fisicamente molto vicino alla grandezza "forza di serraggio" e risulta indipendente dal coefficiente d'attrito.
• Alta precisione sulla singola misura: utilizzando solo l'onda longitudinale (cosiddetto assembly mode) si ottiene una precisione di circa il 3 %.
• Validazione dei processi di serraggio esistenti: ideale per verificare sperimentalmente le ipotesi sui coefficienti d'attrito.

Limiti e svantaggi

Nella produzione in serie questo approccio presenta limitazioni significative. Con il metodo a singolo modo occorre conoscere il tempo di propagazione di riferimento di ogni singola vite allo stato non precaricato, oltre a una taratura specifica per materiale e tipo di vite. Ciò significa che ogni vite deve essere misurata singolarmente prima del montaggio - un notevole sovraccarico per un contesto di serie.

A questo si aggiungono altre restrizioni:

• La superficie della vite deve essere accessibile e preparata in modo idoneo per l'accoppiamento acustico.
• La misurazione a ultrasuoni fornisce valori puntuali molto precisi, ma è sensibile alla temperatura, lenta e inadatta a grandi gruppi di viti - un monitoraggio continuo del processo non è praticabile.
• I costi elevati per vite rendono difficile l'accettazione di questo metodo sul mercato.

Conclusione Metodo 1: la misurazione a ultrasuoni è il metodo più preciso per controlli a campione, misure di laboratorio e attività di validazione. Per un controllo al 100 % in produzione continua, tuttavia, l'impegno richiesto è troppo elevato.

Metodo 2: Analisi coppia-angolo di rotazione - La soluzione più economica per la serie

Come funziona il metodo

Nei consueti processi di assemblaggio, la forza di serraggio non viene determinata direttamente, ma tramite il controllo di parametri di processo come coppia, angolo di rotazione, profondità o tempo di avvitatura. L'analisi della coppia in funzione dell'angolo di rotazione va però ben oltre un semplice controllo di coppia.

Come descritto in dettaglio nel nostro articolo Leggere l'"impronta digitale" del suo giunto avvitato, la curva completa di serraggio fornisce una grande quantità di informazioni di processo: una tipica curva coppia-angolo di rotazione inizia con una zona non lineare, in cui i componenti si allineano. Segue quindi il tratto lineare elastico, in cui si costruisce la forza di serraggio, i pezzi vengono accostati e il giunto si stabilizza.

Il gradiente in questa zona elastica è correlato alla cedevolezza del giunto - e quindi alla forza di serraggio effettivamente generata. La forza di serraggio viene stimata in base alla coppia applicata o alla combinazione di coppia e angolo di rotazione. Il calcolo si fonda sull'assunzione che una quota definita della coppia venga trasformata in allungamento elastico.

Anomalie come attrito filettatura elevato, carichi trasversali o superamento del limite di snervamento sono ben visibili nell'andamento della curva - e non possono essere individuate da un singolo valore di coppia.

Il QUANTEC MCS® come strumento di analisi

Il QUANTEC MCS® di GWK è stato progettato esattamente per questo tipo di analisi dell'angolo di rotazione in relazione alla coppia. Grazie alla misurazione dell'angolo di rotazione senza punto fisso di riferimento registra in tempo reale la curva completa di serraggio - senza necessità di un punto di riferimento esterno, come farebbe un tradizionale goniometro rotazionale. La precisione di misura è pari a ±1 % tra il 10 e il 100 % del campo nominale, mentre la robusta struttura in alluminio e titanio garantisce stabilità a lungo termine anche in ambiente produttivo.

I dati acquisiti vengono trasmessi in modalità wireless via WLAN e possono essere analizzati, archiviati e documentati per audit tramite i software QuanLab Pro®, Ceus o QS-Torque. In questo modo il QUANTEC MCS® non è solo uno strumento di analisi della coppia, ma anche una piattaforma di documentazione per le giunzioni di classe A secondo VDI/VDE 2862, assicurando un controllo qualità assemblaggio completo.

Vantaggi

• Adatto alla produzione in serie: nessuna preparazione preventiva delle viti, utilizzabile direttamente sulla linea.
• Controllo al 100 % possibile: ogni singolo giunto viene monitorato e documentato, a supporto del controllo assemblaggio.
• Informazione di processo invece di un valore singolo: anomalie, effetti d'attrito e superamento del limite di snervamento diventano visibili.
• Economico: un unico strumento copre tutte le posizioni di avvitatura all'interno del proprio campo di misura.
• Combinabile: integrabile con misurazione a ultrasuoni a campione per validare periodicamente i coefficienti d'attrito.

Limiti e svantaggi

• Il metodo è fortemente dipendente dal coefficiente di attrito: variazioni di lubrificazione, attrito della filettatura o appoggio della testa portano a forti dispersioni nella forza di serraggio raggiunta. Il coefficiente di attrito deve essere noto e sufficientemente stabile perché l'analisi delle curve consenta conclusioni affidabili sulla forza di serraggio.
• Si tratta di una misurazione indiretta - non viene misurato l'allungamento diretto come nel caso degli ultrasuoni.

Conclusione Metodo 2: per la produzione in serie l'analisi coppia-angolo di rotazione è il metodo più economico e concretamente applicabile - soprattutto quando sono richiesti informazioni di processo dettagliate e riconoscimento delle anomalie, in un'ottica di ottimizzazione processi di assemblaggio.

Metodo 3: Viti sensorizzate (viti con misura di forza) - Misura diretta, costi massimi

Come funziona il metodo

Nelle viti sensorizzate - dette anche viti con misura di forza - un estensimetro (DMS) o un sensore piezoelettrico è integrato direttamente nel gambo. In questo modo i sensori di forza rilevano la forza reale nella vite e le componenti di carico dinamiche direttamente nel gambo. È il metodo più diretto tra i tre: si misura la forza di trazione assiale esattamente nella zona sollecitata della vite.

Il ponte estensimetrico completo consente una rilevazione precisa della forza assiale nella vite. A seconda della variante si possono misurare anche momenti flettenti o componenti torsionali, permettendo di analizzare nel dettaglio il comportamento a carico di giunzioni complesse.

Un vantaggio essenziale rispetto agli altri metodi: le viti sensorizzate sono particolarmente adatte al monitoraggio continuo di giunzioni ad alta sollecitazione. La misurazione è possibile anche in esercizio - quindi sotto carico - rendendo possibile un vero monitoraggio in esercizio basato su sistemi di sensori.

Vantaggi

• Metodo di misura più diretto: nessuna correlazione, nessuna ipotesi - la forza viene misurata direttamente nel gambo.
• Monitoraggio in esercizio possibile: misurazione della forza anche sotto carichi dinamici di servizio.
• Precisione molto elevata con caratterizzazione nota del sensore.

Limiti e svantaggi

Lo svantaggio decisivo è il costo. Con ogni vite installata un sensore costoso rimane permanentemente nel componente - la vite non può essere riutilizzata dopo la misura. Per applicazioni di serie con centinaia o migliaia di punti di avvitatura questo approccio non è semplicemente sostenibile dal punto di vista economico.

Ulteriori limitazioni:

• Non si possono utilizzare viti standard - sono necessarie esecuzioni speciali.
• Disponibilità limitata in molte dimensioni standard.
• Elevato impegno di integrazione e formazione.

Conclusione Metodo 3: le viti con misura di forza sono lo strumento giusto per sviluppo, prototipazione e giunzioni singole altamente critiche - non per un controllo economico della produzione in serie.

Confronto diretto: tutti e tre i metodi a colpo d'occhio

Quale metodo si adatta al suo processo?

Scopra con il nostro strumento interattivo di supporto alle decisioni quale metodo di misura è più indicato per la sua applicazione specifica e per misurare la forza di serraggio in modo affidabile:

Perché l'analisi coppia-angolo di rotazione è superiore in produzione

Per la grande maggioranza delle applicazioni industriali - automotive, aerospace, costruzione di macchine, industria ferroviaria - vale quanto segue: l'analisi coppia-angolo di rotazione con il QUANTEC MCS® offre il miglior compromesso tra precisione, economicità e praticità operativa. In combinazione con una chiave dinamometrica digitale, si ottiene un sistema di misura completo e flessibile.

Economicità lungo tutta la linea

Un singolo QUANTEC MCS® copre tutte le posizioni di avvitatura nel proprio campo di misura. Non servono viti speciali, preparazioni complesse o tarature specifiche per ogni tipo di vite. A differenza della misurazione a ultrasuoni, non sono necessarie misure di riferimento allo stato non caricato.

Controllo al 100 % invece di campionamento

Un processo basato solo sulla coppia impostata è adeguato per rispettare una specifica di serraggio, ma non fornisce informazioni su come evolve la forza di serraggio in esercizio. L'analisi coppia-angolo di rotazione va oltre: ogni giunto viene registrato nella sua interezza e le deviazioni nel tracciato - ad esempio dovute ad anomalie di attrito o a geometrie errate della connessione - diventano immediatamente visibili. Questo è particolarmente rilevante nel contesto della Prozessfähigkeitsuntersuchung (PFU) secondo VDI/VDE 2645-3, in cui le dispersioni della forza di serraggio raggiunta devono essere rilevate e valutate in modo sistematico.

Riconoscimento delle anomalie come valore aggiunto

Fattori di disturbo come difetti di filettatura possono generare una coppia apparentemente sufficiente, mentre la forza di serraggio reale rimane ben al di sotto dei requisiti. Proprio questi casi - che con un controllo basato solo sulla coppia resterebbero invisibili - vengono individuati in modo affidabile dall'analisi coppia-angolo di rotazione. Carichi trasversali, giunti troppo rigidi (i cosiddetti casi di avvitatura dura), over-torque o movimenti di assestamento durante il serraggio: tutto lascia una "firma" caratteristica nella curva di serraggio, che il QUANTEC MCS® registra integralmente.

La strategia di combinazione ottimale

L'approccio più efficace nella pratica combina due metodi:

• QUANTEC MCS® per il controllo continuo al 100 % in produzione
• Misurazione a ultrasuoni a campione per la validazione periodica dei coefficienti d'attrito

Così sfrutta i punti di forza di entrambi i metodi - senza doverne accettare i rispettivi svantaggi. Il risultato è un sistema completo di controllo qualità assemblaggio che supporta in modo mirato l'ottimizzazione processi di assemblaggio.

Se desidera supportare gli indici di capacità Cmk e Cpk dei suoi processi di avvitatura con dati di misura solidi, la curva di serraggio completa fornita dal QUANTEC MCS® è la base corretta - non un singolo valore di coppia alla fine del serraggio.

GWK ToolRent®: prima testare, poi decidere

Chi desidera provare l'analisi coppia-angolo di rotazione nella propria produzione non deve necessariamente investire subito. Con il sistema di noleggio GWK ToolRent® può ottenere un QUANTEC MCS® calibrato con formule flessibili - settimanali, mensili o annuali - incluso certificato di taratura aggiornato, pronto per la spedizione e disponibile in tutto il mondo. In questo modo può validare il metodo in condizioni reali di produzione in serie prima di prendere una decisione di investimento definitiva.

Conclusione: il metodo giusto per ogni applicazione

Tutti e tre i metodi per misurare la forza di serraggio hanno una loro legittimità - la scelta dipende sempre dal campo d'impiego:

• Misurazione a ultrasuoni -> controlli a campione, validazione di laboratorio, fase di prototipazione
• Analisi coppia-angolo di rotazione (QUANTEC MCS®) -> produzione in serie, controllo al 100 %, riconoscimento delle anomalie
• Viti sensorizzate -> sviluppo, giunzioni singole altamente critiche, monitoraggio in esercizio

Per la grande maggioranza delle produzioni industriali in serie, l'analisi coppia-angolo di rotazione con il QUANTEC MCS® è la soluzione più economica, pratica e ricca di informazioni per misurare la forza di serraggio. Non fornisce solo un valore finale, ma l'intera "impronta digitale" di ogni giunto - e quindi la base per decisioni di qualità fondate.

Accuracy by GWK - 30 anni di competenza nella metrologia in utensili di precisione che mostrano davvero cosa accade all'interno del giunto avvitato.