Šroubovací technika je stále klíčovou technologií při montáži, zejména díky vysoké výkonosnosti, možnosti opakovaného použití a možnosti nedestruktivního uvolnění spojů. Šrouby jsou nejčastěji používané strojní prvky a nabízejí širokou škálu standardizovaných provedení pro nejrůznější aplikace.
Nejdůležitějším cílem v montážní technologii je dosažení definované a konstantní síly předpětí. Ta musí být nastavena tak, aby na jedné straně byla zaručena funkce šroubového spojení při každé možné provozní síle a na druhé straně nebylo překročeno přípustné zatížení. Problematické jsou často neznámé sedací jevy spoje a s montáží související kolísání dosažené síly předpětí.
Při sériové výrobě je obvykle obtížné určit dosaženou sílu předpětí. V praxi se proto k nepřímé kontrole síly předpětí používají různé metody utahování. Jako nepřímo měřená veličina se často používá utahovací moment. Jako důležité řídicí veličiny v procesu montáže slouží také další parametry, jako je úhel otáčení, jedna doba šroubování a hodnota tření. Inovativní metody rozpoznávání šroubu dosednutí hlavy také pomáhají zlepšit konzistenci síly předpětí.
Hlavním problémem utahování řízeného krouticím momentem jsou kolísající hodnoty tření, které spolu s rozptylem krouticího momentu utahovacího nástroje ovlivňují výslednou sílu předpětí. Rozdíl mezi třením hlavy a třením závitu je zde obzvláště důležitý. Protože se tyto třecí vlivy sčítají, může i při vysoké opakované přesnosti krouticího momentu docházet ke kolísání předpínací síly o 50 % a více.
Pro zajištění bezpečného spojení musí být proto závitový spoj navržen tak, aby i přes tyto odchylky spolehlivě fungoval: nesmí být přetěžován vyšší předpínací silou a při nižší předpínací síle musí stále poskytovat požadovanou přídržnou sílu. Navzdory těmto nedostatkům je utahování řízené krouticím momentem zdaleka nejpoužívanějším způsobem utahování - především díky jeho jednoduchému technickému provedení.
Jedním ze způsobů, jak zvýšit přesnost, je kombinace s detekcí úhlu natočení. Tato metoda je užitečná zejména v případech, kdy je třeba zaznamenat kolísající materiálové vlastnosti dílů. Vlastní montážní proces zůstává nezměněn, ale sleduje se také úhel utažení, který nastane nad určitým prahovým momentem. Ten musí ležet v rámci definovaných mezních hodnot, tzv. zeleného okna.
Vyhodnocením úhlu napínání lze vyvodit závěry o možných chybách montáže:
- Pokud je úhel napnutí příliš krátký, často to znamená, že chybí těsnicí prvek.
- Příliš dlouhé úhly zpětného napínání ukazují na nedostatečně zpevněné díly.
Prahový krouticí moment, od kterého začíná detekce úhlu natočení, se obvykle pohybuje mezi 20 % konečného krouticího momentu (u tvrdých případů kloubů Boltet) a 80 % konečného krouticího momentu (u měkkých případů kloubů Boltet).
Řízený proces utahování úhel otočení
Při metodě úhel otočení se k řízení utahovacího procesu používá jak krouticí moment, tak úhel otočení šroubové spojení. V případě finálního dotažení se však jako řídicí veličina používá úhel otočení, nikoliv krouticí moment. To znamená, že se šroub nejprve dotáhne na úhel otočení počátečního momentu a poté se dále otáčí předem definovaným dotahovacím úhelem. Krouticí moment lze použít jako další řídicí veličinu.
Při tomto způsobu utahování lze šroub utáhnout buď v pružném, nebo v plastickém rozsahu. V plastickém rozsahu vede další otáčení šroubu pouze k minimálnímu nárůstu krouticího momentu, a proto již nelze krouticí moment spolehlivě použít jako řídicí veličinu. Při utahování v tomto rozsahu je třeba přesně dodržet určité parametry, protože šroub se trvale deformuje a ztrácí možnost opakovaného použití.
Pojmy plastický a elastický lze znázornit pomocí Hookova diagramu napětí a deformace. Při pružné deformaci je síla předpětí při konstantních hodnotách tření úměrná působícímu momentu. S rostoucím krouticím momentem roste i prodloužení šroubu. Po opětovném odstranění zatížení (síly předpětí / točivého momentu) se deformace zmenšuje. Jakmile je však dosaženo meze kluzu šroubu, nárůst krouticího momentu se vyrovná a šroub se dostane do plastické oblasti. Deformace zůstává v tomto rozsahu i po odstranění zatížení. Pokud je maximální zatížení překročeno, šroubovák se zúží, což nakonec vede k jeho zničení.
Plastický rozsah šroubováku se liší v závislosti na konstrukci: Může být krátký a strmý nebo dlouhý a plochý. Široký plastický rozsah je však nezbytný pro úspěšné použití metody utahování řízeného úhlem. Tato metoda umožňuje do značné míry eliminovat rušivé veličiny vlivu tření a zároveň využít maximální nosnost šroubu.
Limitní hodnoty kontrolovaného utažení
Aby se předešlo omezením Strahn šroubu a zároveň nebyla nevýhodou závislost na kolísající hodnotě tření, bylo vyvinuto utahování řízené bodem výnosu. V této metodě se jako řídicí veličiny zaznamenávají jak kroutící moment, tak úhel otočení. Princip je založen na využití klesajícího gradientu v Napěťovém diagramu deformace, který slouží jako mezní kritérium při dosažení bodu kluzu.
V napěťovém diagramu je vidět, že nárůst je zpočátku lineární a po dosažení meze kluzu se stále více zplošťuje. Během tohoto procesu je osová síla úměrná krouticiho momentu a prodloužení je úměrné úhel otočení. Z matematického hlediska je sklon křivky derivací funkce. Pokud se derivace krouticího momentu po dosažení úhlu otočení sníží na přibližně 50 % hodnoty výstupu, je dosaženo meze kluzu a proces utahování je ukončen. Mezní úhel a mezní momenty lze také zavést jako monitorovací veličiny pro bezpečnost.
Nevýhoda kolísavé hodnoty tření nebo omezením volby šroubováku se lze vyhnout díky utažení řízenému bodem kluzu. V mnoha případech lze šrouby dimenzovat menší díky vyšší bezpečnost při dosažení požadované síly předpětí, což umožňuje snížit náklady.
Metodu lze použít pouze pro spojení, v nichž je šroub nejslabší složkou. Například zapuštění hlavy šroubu do krycí vrstvy by jinak mohlo být chybně interpretováno jako mez napětí namísto šroubovacího systému.
DEPRAG Clamp Force Control (CFC)
Adaptivní metoda šroubování DEPRAG CFC dosahuje lepší a konstantnější předpínací síly (upínací síly) i při kolísavých zasouvacích momentech. Kompletní šroubový spoj se skládá ze dvou hlavních komponent: rospoznání dosednutí hlavy a šroubový spoj, který je založen buď na rozdílném momentu, nebo na úhel otočení.
Typické aplikace tohoto procesu jsou přímé šroubové spoje v plastu nebo kovu. Patentovaný proces pro EC-Servo-šroub ve spojení s AST12 nebo AST40 se používá zejména pro vysoce proměnlivé vstupní momenty.
Výzvy a řešení
Kolísání zaváděcího momentu může být způsobeno různými faktory, jako jsou změny geometrie šroubu nebo otvoru, mikrostruktura materiálu, měnící se povrchové podmínky šroubového závitu nebo pružné prvky a usazovací jevy. V takových případech zajišťuje spolehlivá detekce Dosednutí hlavy rovnoměrný stav předpětí a umožňuje konstantní finální dotažení, které vede k rovnoměrné síle předpětí.
Výhody:
- Zlepšená konzistence síly předpětí: Síla předpětí zůstává konstantní i při různých zaváděcích momentech.
- Odolnost vůči náhodným výkyvům: Metoda je necitlivá na náhodné zvýšení krouticího momentu, které není způsobeno dosednutím hlavy.
- Nízká náročnost parametrizace: Nastavení procesu je rychlé a snadné.
Metoda výpočtu:
Hlavním rysem postupu je rozpoznávání dosednutí hlavy. Průběh krouticího momentu je průběžně sledován a převáděn do matematického hodnocení funkcí. Dosednutí hlavy je rozpoznáno, když tato funkce překročí definovanou mezní hodnotu.
Jakmile je dosednutí hlavy uznáno, vypočítá se zpětně jak krouticí moment, tak úhel otočení pro tento časový okamžik. Horní mezní hodnota momentu slouží jako kritérium zrušení šroubovací fáze. Optimálně lze IO- okno pro detekci dosednutí hlavy sledovat pomocí dolní a horní meze pro krouticí moment a úhel.
Jako referenční hodnoty pro následující programovou část se používají finální hodnoty šroubovací fáze (krouticí moment a úhel otočení) až časový okamžik dosednutí hlavy nebo na konci šroubovací fáze.
Místo šroubového spoje na rozdílný moment může následovat i šroubový spoj na úhel otočení.
Postup DEPRAG Hodnota tření
Hlavním cílem šroubového spoje součástí je dosažení konstantní síly předpětí. Běžná strategie utahování "utahování na předem stanovený krouticí moment" funguje dobře, pokud jsou k dispozici vlastnosti požadované pro proces řízený krouticím momentem ve stálé kvalitě.
Zvláštní problémy však vznikají při zpracování samořezných a samořezných šroubů. Zde mohou výkyvy v kvalitě dílu, jako jsou změny geometrie šroubu nebo otvoru, materiálová struktura součástek, měnící se povrchové vlastnosti závitů šroubu nebo otvoru jádra, stejně jako pružné prvky a usazovací jevy, vést k nepravidelným vkládacím momentům během procesu lisování nebo řezání.
Pokud jsou šroubové zvedáky dotaženy na předem stanovené hodnoty finálního dotažení, mohou tyto kolísající momenty vést k různým silám předpětí, což může mít za následek následující problémy:
- Poškození šroubu nebo součásti (např. zlomení)
- Porucha šroubového spojení (ztráta předpínací síly)
- Nedosažení šroubu dosednutí hlavy
Řešení: Přesná kontrola síly předpětí i přes kolísající hodnotu tření
Řešení zde nabízí postup stanovení hodnoty třecího momentu DEPRAG. Během procesu utahování se v parametrizovatelném rozsahu úhel zaznamenává krouticí moment, který se používá pro proces tváření nebo řezání. Z těchto naměřených hodnot se vypočítá průměrná hodnota, která se označuje jako hodnota tření. Hodnota tření určuje další postup utahování prostřednictvím točivého momentu, přičemž pro další krok se použije diferenční moment. Součet hodnoty tření diferenčního momentu nakonec vyústí ve vypínací moment.
Výhody:
- Požadovaná síla předpětí je spolehlivě aplikována, i když se hodnoty krouticího momentu během procesu neustále mění.
Nevýhody:
- Hodnoty finálního dotažení nejsou konstantní kvůli kolísavému hodnotě tření. Prostřednictvím hodnot finálního dotažení proto nelze určit kvalitu jednotlivých šroubových spojů (např. pomocí indexu Cmk).
- Dostupné měřené veličiny pro kvalitu hodnocení jsou místo toho hodnota rozdílného momentu nebo hodnota úhlu otočení, která se měří od momentu SchHřídeln až do dosažení vypínacího momentu.
Měření délky
Prodloužení šroubu a výsledná síla předpětí jsou matematicky přesněji provázány než krouticí moment a síla předpětí. Proto přímé měření deformace umožňuje velmi přesné určení síly předpětí. Jedním ze způsobů měření je mechanický záznam prodloužení přes otvor ve šroubu. Tento otvor musí být hlubší než upínací délka použitého šroubováku. Tato metoda je však vhodná pouze pro speciální případy s většími šrouby a v praxi se používá zřídka.
Ultrazvukové měření délky
Přesnější metodou měření délky je ultrazvukové měření prodloužení šroubu. Do hlavice šroubu se zavede ultrazvukový impuls. Impuls se šíří šroubem, odráží se na konci hřídele na rozhraní oceli a vzduchu a vrací se zpět do hlavy šroubu. Časový rozdíl mezi ozvěnami impulsu se použije k výpočtu délky šroubu.
Toto měření lze provádět s velmi vysokou frekvencí, takže lze provést několik tisíc měření za sekundu a dosáhnout vysokého rozlišení. Jako rušivé veličiny se však musí kompenzovat napětí stavu materiálu šroubu a teplota šroubu. Metoda je nyní připravena pro sériovou výrobu a úspěšně se používá v automobilovém průmyslu pro vysoce citlivé bezpečnostní šroubové spoje. Stále je však vyžadováno dodatečné monitorování kroutícího momentu a úhlu otočení.
Další nevýhodou této metody je, že vyžaduje trubice s napařeným senzorem, což znamená, že na každé zpracovávané trubici zůstává drahý senzorový prvek.
Zvláštní případy
Většina popsaných metod je přizpůsobena metrickým ocelovým šroubům. V praxi však existuje řada dalších typů trubkových vývodů, jako jsou plechové vývody, samovrtné nebo samotvárné vývody a spoje s kovovými vývody v termoplastech nebo termosetových plastech. Tyto varianty vyžadují zvláštní pozornost.
V zásadě zůstává zachován vztah mezi kroutícím momentem, hodnotou třeníen a generovanou předpínací silou. V případě plastického šroubového spoje však nelze korelaci založit pouze na materiálových vlastnostech šroubu, protože vliv mají i materiálové vlastnosti součáste. V případě samovrtných nebo samořezných šroubů se vyskytují i další rušivé veličiny - takzvané zásuvné kroutící momenty.
Výzvy přímých šroubových spojů
V případech, kdy je třeba vytvořit závit, jsou k dosažení finálního momentu kromě třecích složek zapotřebí i momenty pro tvarování závitů. Vzhledem k silnému kolísání těchto tvářecích momentů jsou nepřesnosti v dosažené síle předpětí výrazně vyšší než v popsaných standardních případech. Zejména v případě přímého šroubového spoje v termoplastech hrají rozhodující roli otáčkové rychlosti šroubováku, které mohou výrazně ovlivnit kvalitu šroubového spoje.
Závěr: Přesné Šroubové spojeníen vyžadují vhodné metody utahování a jejich parametry.
Přesné stanovení síly předpětí u šroubových spojovacích prvků vyžaduje použití vhodných měřicích metod nebo výpočetních nástrojů. Každé šroubové spojení má svá úskalí a zejména u speciálních materiálů a typů šroubů je třeba zohlednit konstrukční požadavky a hodnoty krouticího momentu. Aby bylo dosaženo optimálních výsledků, musí být šroub, spojovací prvek, způsob utahování a šroubový spojovací prvek navrženy pro danou aplikaci.
