Como um indicador central para controlarparafusoforça de aperto, a realidade é que a maior parte do torque de aperto é perdida através do atrito, com apenas uma pequena porção realmente convertida em força de aperto. Então, quais fatores determinam, em última análise, a distribuição do torque do parafuso e a magnitude do coeficiente de atrito? Hoje, o editor de Jiangsu Jinrui compartilhará um estudo empírico baseado em análise microtopográfica, que revela os principais fatores que influenciam a distribuição de torque dos parafusos e o coeficiente de atrito, fornecendo uma base sólida para alcançar uma fixação de alta-confiabilidade.
1. Coeficiente de Fricção e Distribuição de Torque
Ao apertar um parafuso, o torque de entrada não é totalmente utilizado para esticar o parafuso e gerar força de fixação. Na verdade, o torque é distribuído entre três caminhos de consumo:
Atrito da rosca: O atrito ocorre na área de contato da rosca entre o parafuso e a porca, consumindo grande quantidade de torque;
Atrito da superfície do rolamento: O atrito também existe entre a cabeça do parafuso e a arruela ou a superfície do componente conectado, e o torque consumido nesta peça é responsável por uma proporção maior;
Efeito do ângulo de ataque da rosca (ou seja, componente de pré-carga efetiva): Somente esta parte do torque é realmente usada para esticar o parafuso e, assim, formar a força de fixação.
Estudos demonstraram que aproximadamente 85% a 90% do torque é usado para superar o atrito e apenas cerca de 10% é convertido em força de tração no parafuso.
Isto significa que uma vez que o coeficiente de atrito muda, a eficiência de conversão de torque mudará de acordo, resultando em uma possível diferença de mais que o dobro na força de fixação gerada sob o mesmo torque. Portanto, não é confiável bloquear a força de fixação apenas por torque.
2. Projeto do Esquema
Para explorar profundamente os principais fatores que determinam a distribuição do torque dos parafusos e o coeficiente de atrito, o Laboratório de Tribologia da École Centrale de Lyon, na França, projetou um esquema experimental sistemático. O objetivo principal deste esquema é combinar testes mecânicos com análise de microtopografia de superfície para estabelecer uma relação causal entre o comportamento de atrito e a microestrutura.
O experimento foi conduzido de acordo com o padrão ISO 16047 para testes de força de torque-de fixação. Os parafusos utilizados eram da especificação M10×60, feitos de aço 30MnB4, que foram-com cabeça fria,{8}}laminados com rosca e depois eletrogalvanizados. Os valores específicos do torque total foram registrados detalhadamente, enquanto o torque da rosca e o torque da superfície do rolamento foram separados para calcular com precisão o coeficiente de atrito e analisar a lei de distribuição de torque. A tecnologia-de varredura topográfica tridimensional foi usada para extrair parâmetros-relacionados à rugosidade, e as alterações dos parâmetros antes e depois do aperto foram comparadas para explorar a correlação intrínseca entre o comportamento do atrito e a microtopografia. Este projeto não considera apenas o desempenho mecânico, mas também se aprofunda no nível micro, revelando as razões fundamentais para as alterações na distribuição do torque dos parafusos e no coeficiente de atrito.
3. Método de verificação de teste
Com base no esquema acima, foi construído um dispositivo de teste em conformidade com a norma ISO 16047, que pode medir com precisão o torque e a força de fixação. O processo de teste inclui os seguintes links:
Fixação e carregamento do parafuso: instale o parafuso em uma bancada de testes padronizada, aplique um torque definido e registre-em tempo real os valores de torque total, torque da rosca, torque da superfície do rolamento e força de fixação;
Medição de separação de fricção: Separe a fricção da rosca da fricção da superfície do rolamento através da estrutura especial do dispositivo e sensores para garantir a precisão do cálculo do coeficiente de fricção;
Arranjo de varredura topográfica: antes e depois de cada operação de aperto, execute uma varredura tri{{0}dimensional na superfície de rolamento da cabeça do parafuso e na superfície da arruela para capturar informações de recursos em nível-mícron;
Extração e análise de parâmetros: extraia parâmetros-relacionados à rugosidade e combine-os com dados de atrito para analisar a relação correspondente entre mudanças na topografia da superfície e comportamento de atrito.
A figura abaixo mostra a estrutura da bancada de testes e as posições específicas dos pontos de medição.
4. Análise dos resultados da topografia
Os dados de teste revelaram vários fenômenos importantes que ajudam a compreender profundamente os fatores fundamentais que determinam a distribuição de torque e o coeficiente de atrito:
4.1 Mudanças Dinâmicas do Coeficiente de Atrito
Durante o processo de aperto, o coeficiente de atrito não é constante, mas muda continuamente com o estado do contato. Geralmente, o coeficiente de atrito da superfície do rolamento é cerca de 44% maior que o coeficiente de atrito da rosca, indicando que a maior parte do torque é consumida na superfície do rolamento e não na superfície da rosca.
4.2 Dispersibilidade de Torque Significativa
Mesmo quando o mesmo objetivo de força de fixação é definido, a diferença no torque necessário pode ser quase o dobro. Por exemplo, alguns parafusos requerem um torque de 96,7 Nm, enquanto outros necessitam apenas de 54,5 Nm. Esta dispersibilidade dos valores de torque é causada diretamente pela instabilidade do coeficiente de atrito.
4.3 Evolução Significativa da Topografia de Superfície
Os resultados-da varredura tridimensional mostram que os parâmetros de rugosidade da superfície de apoio sofreram alterações significativas:
Sq (rugosidade quadrada média) diminuiu de aproximadamente 5,3 μm para 1,04 μm e a superfície tornou-se mais lisa;
Ssk (assimétrico) tornou-se negativo, indicando uma mudança na distribuição dos picos e vales superficiais, com mais material concentrado nos pontos baixos (vales) da superfície, e as características do poço tornaram-se mais óbvias;
O valor de Sku (curtose) aumentou, o que significa que a capacidade de suporte da superfície foi aumentada.
Estas alterações indicam que durante o processo de aperto, a superfície sofre deformação plástica, a área real de contato aumenta e o comportamento de atrito muda de acordo. A figura abaixo mostra a topografia tri-dimensional da superfície de apoio da cabeça do parafuso antes e depois do aperto: antes do aperto, a superfície apresenta uma óbvia estrutura de pico{2}}vale áspero; após o aperto, os picos ásperos são cortados, a superfície tende a ser plana e a direcionalidade é mais óbvia. Isto mostra que o atrito não só consome energia, mas também remodela a estrutura da superfície no nível micro.
A figura abaixo marca claramente as marcas de atrito e áreas de deformação plástica na superfície do rolamento através de observação microscópica: há arranhões significativos em algumas áreas, e a direção de extensão dos arranhões é consistente com a direção de rotação do parafuso, indicando que o atrito causou fluxo de material e danos à superfície.
A figura abaixo apresenta as características desiguais do contato da superfície do rolamento: a área de contato real é muito menor que a área nominal e a carga está concentrada em algumas microáreas, levando a estados locais de alta-tensão e deformação plástica. Este contato desigual é o principal fator que causa flutuações no coeficiente de atrito.
