Il problema
A causa di vincoli di spazio, un produttore di attrezzature per l'edilizia ha riscontrato che non era possibile ottenere i requisiti prestazionali minimi per un giunto ad alte prestazioni utilizzando esclusivamente una chiave dinamometrica a scatto.
Il giunto in questione è costituito da due elementi esterni in acciaio che racchiudono a sandwich un elemento in alluminio, tutti fissati con un dado e un bullone a testa flangiata M12.
L'analisi delle forze
Basandosi su alcune analisi riguardanti le forze in gioco sul giunto bullonato, si è riscontrato che una forza assiale di 40 kN agiva sul giunto a causa della non planarità degli elementi. Si è quindi deciso di considerare necessario un precarico minimo di 41 kN come punto di partenza per l'allineamento delle superfici e per portare tutti gli elementi a contatto. A questo punto il valore del precarico iniziale che si è deciso di utilizzare è di 50 kN, considerando anche un margine di sicurezza appropriato.
Il limite del solo controllo di coppia
Dopo aver eseguito una serie di test si è riusciti anche a stabilire che eseguire il serraggio con il solo metodo della coppia voleva dire avere una dispersione sul precarico di un valore compreso tra 25 kN e 40 kN. In sostanza una grossa fetta della coppia di serraggio applicata veniva utilizzata solo per vincere le forze che non permettevano alle tre superfici di essere perfettamente parallele e, come è facile intuire, in questa fase il bullone non veniva minimamente tensionato, portando quindi a rotture anticipate (soprattutto a taglio) dovute allo scorrimento delle tre superfici.
Un altro elemento da tenere in considerazione era il fatto che il produttore aveva bisogno di implementare un metodo di serraggio che non richiedesse attrezzature particolari o complesse, dato che nella maggioranza dei casi il service, e quindi lo smontaggio e il rimontaggio dell'assieme, avveniva on-site con semplici attrezzature da officina.
La soluzione: serraggio coppia-angolo
Dopo questa fase di studio si è deciso di esaminare se implementare delle metodologie di serraggio con controllo coppia-angolo.
Nel serraggio con controllo coppia-angolo viene specificata una coppia iniziale di accostamento detta snug-torque che ha lo scopo di portare tutte le superfici della giunzione a stretto contatto, condizione fondamentale per poter far allungare il bullone. Un angolo di rotazione viene poi specificato in base ad una serie di fattori come passo del filetto, materiale, classe di resistenza, ecc.
Una chiave dinamometrica standard viene utilizzata nella fase di applicazione della coppia iniziale (la snug-torque) mentre successivamente è possibile utilizzare un semplice goniometro per chiavi a bussola per la misura dell'angolo di rotazione.
Determinazione del punto di snervamento
Per identificare con precisione i valori di coppia e di angolo ottimali è necessario un grafico specifico per il bullone utilizzato, ottenibile tramite prove sperimentali con cella di carico o chiave dinamometrica elettronica. Il punto sul grafico in cui la linea inizia ad appiattirsi identifica la porzione di angolo a cui inizia a verificarsi lo snervamento (yeld point).
Nel caso specifico, lo snervamento iniziava a verificarsi circa a 200° di rotazione. È stata quindi identificata una snug-torque di 15 Nm, con successiva applicazione di 180° di rotazione — un valore comodo perché corrisponde a mezzo giro, facile da identificare in officina anche senza goniometro di precisione, e scelto anche tenendo conto delle attrezzature a disposizione degli operatori.
La vita utile del bullone: quanti riavvitamenti sono accettabili?
Poiché il bullone doveva essere svitato e riavvitato annualmente per necessità di service, è stata necessaria una seconda analisi per verificare la vita utile del bullone.
Una prima considerazione importante: il primo avvitamento con metodo coppia-angolo (che arriva nel punto di deformazione plastica) non avrà le stesse caratteristiche del secondo avvitamento — la forza di snervamento sul secondo serraggio è superiore a quella del primo. Questo comportamento è noto come effetto Bauschinger (o isteresi plasticizzante dei materiali duttili), che corrisponde a un incrudimento di tipo cinematico.
Testando il numero di riavvitamenti accettabili seguendo la procedura decisa (15 Nm di snug-torque + 180° di rotazione), si è scoperto che il bullone, dopo l'applicazione ripetuta del processo, fallisce dopo 10 avvitamenti.
Come da specifiche iniziali, si era valutato che un precarico di almeno 50 kN dovesse essere generato nel bullone. Dal grafico dei test non era possibile validare tutte le misure effettuate; quindi, mantenendo un buon margine di sicurezza, si è deciso di limitare il numero di riutilizzi dello stesso bullone a 5 volte.
Conclusioni
Per le applicazioni più critiche, il metodo di serraggio coppia-angolo permette di sfruttare al meglio le caratteristiche del bullone e aiuta a raggiungere risultati migliori in termini di efficienza e ripetibilità rispetto al solo metodo di serraggio con applicazione della coppia. La chiave del successo, in questo caso, è stata l'analisi sperimentale approfondita combinata con un margine di sicurezza prudente sul numero di riutilizzi.
