La rottura di un elemento di fissaggio filettato è giustamente considerata un evento potenzialmente molto grave e pericoloso, per questo motivo si è sviluppata una così grande conoscenza dei problemi legati alla fisica dei bulloni, trovando poi nel corso del tempo strategie sempre più efficienti per fare in modo che tali rotture accadano di rado o non si verifichino per nulla.

Tuttavia, in molte applicazioni, anche i test più approfonditi non sono in grado di eliminare completamente i problemi di rottura o allentamento, oltre che non essere né pratici né economici. In tali casi, l'ingegnere deve fare affidamento sull'analisi dei dati e alla sua esperienza per garantire che non si verifichino guasti.

La rottura di un dispositivo di fissaggio filettato si verifica generalmente in una delle seguenti modalità:

  • rottura nel gambo o nella sezione filettata dell'elemento di fissaggio;
  • rottura della filettatura esterna nel bullone;
  • rottura della filettatura interna nel foro.

Rottura del bullone nella sua sezione

È noto da tempo che la maggior parte dei guasti nei giunti bullonati si verifica con la rottura della filettatura maschio del bullone.

Quando un bullone viene serrato il gambo subisce una sollecitazione diretta, dovuta alla deformazione da allungamento, unitamente ad una sollecitazione torsionale, dovuta alla coppia che agisce sulle filettature.

In condizioni di attrito elevato, l'entità della sollecitazione torsionale può essere tale che, se combinata con il carico assiale diretto, può risultare una sollecitazione totale maggiore rispetto al carico di snervamento del bullone, che porta quindi al cedimento.

Un approccio più coerente consiste nel determinare da subito l'entità del carico totale composto dalle due componenti (assiale e torsionale).

Una cosa da tenere in grande considerazione è che la rottura di un bullone, se la progettazione è stata eseguita correttamente, avviene (eventualmente) lungo lo stelo del bullone già in fase di montaggio e non nelle filettature, in quanto in quest'ultimo caso la rottura è graduale nel tempo e non immediata, quindi riscontrabile solo dopo la messa in opera dell'assieme.

Rottura tramite strappo della filettatura

Lo strappo della filettatura può essere un problema in molti progetti in cui sono richiesti fori filettati in materiali a bassa resistenza. In termini generali, se si vuole ottenere un design affidabile, si deve evitare lo strappo della filettatura (sia interna che esterna).

Nei casi in cui il bullone si rompe durante il montaggio, è ovvio ed evidente che è necessaria una sostituzione. Non è il caso invece delle rotture lungo i filetti, questo perché essa tende ad essere di natura graduale e quindi può avere conseguenze disastrose.

Per prevedere con precisione la forza e la modalità di rottura di un assieme filettato è necessario considerare un gran numero di fattori:

  • la variazione delle dimensioni della filettatura (come i diametri maggiore, primitivo e minore) ha un effetto significativo sulla resistenza allo strappo delle filettature interna ed esterna;
  • variazioni della resistenza alla trazione e al taglio nel materiale sia per la filettatura interna che per quella esterna;
  • l'effetto dello spostamento radiale del dado o del componente maschiato nel ridurre la resistenza a taglio delle filettature;
  • l'effetto della flessione delle filettature, causato dall'azione della forza di trazione del bullone che agisce sulle filettature a V, con conseguente azione di incuneamento che diminuisce l'area di taglio delle filettature;
  • l'effetto che i processi di produzione possono avere sui pezzi, per esempio durante la maschiatura (bellmouthing effect o conicità non ideali).

Bellmouthing effect

Un fattore di complicazione che può verificarsi quando si esegue la maschiatura di un foro è il bellmouthing effect.

Consiste in una leggera conicità del foro e si presenta in qualche maniera praticamente sempre durante l'esecuzione del preforo; la causa di questo difetto di produzione è da ricercarsi nella flessibilità torsionale e trasversale della punta.

Il bellmouthing effect può essere ridotto al minimo mediante l'uso di boccole di perforazione ben allineate e stabili, insieme a un'accurata affilatura della punta.

I fori che presentano questo fenomeno, quando vengono maschiati, tenderanno a formare dei filetti con altezza maggiore nella prima parte della lavorazione: questo difetto può essere causa di grossi problemi soprattutto nei casi in cui la profondità del foro è ridotta e nelle filettature a passo fine.

L'influenza del maschiatore sulla resistenza dei filetti

Solitamente nei fori maschiati l'altezza della filettatura è determinata dal diametro della punta utilizzata.

Per ridurre il rischio di incorrere nel problema di rottura della filettatura sotto il carico sottoposto alla vite, solitamente l'ingegnere tende a sovradimensionare la lunghezza della filettatura femmina.

Se da un lato una eccessiva sicurezza in fase progettuale farà dormire sogni tranquilli al progettista, dal punto di vista della produzione però porterà ad una maggiore coppia necessaria per la maschiatura, un maggior numero di rotture delle punte, allunga i tempi di lavorazione: in sostanza tutto ciò porta a maggiori costi di produzione.

Aumentando il diametro del preforo secondo certi criteri, l'operatore può aumentare la durata del maschiatore riducendo la quantità di forza necessaria per formare la filettatura.

Dilatazione del dado

La forza di trazione presente in un dispositivo di fissaggio filettato agisce sui filetti producendo un'azione di incuneamento che si traduce in uno spostamento radiale. Questo spostamento radiale è generalmente noto come dilatazione del dado.

Studi teorici e pratici di questo fenomeno indicano che la faccia superiore del dado si contrae in direzione radiale mentre la sua superficie di appoggio si espande. L'effetto netto di questa dilatazione è quello di ridurre l'area di taglio sia della filettatura interna che di quella esterna.

La resistenza allo strappo di un assieme può essere migliorata aumentando la larghezza del dado, fino a circa 1,9 volte il diametro nominale della filettatura. Ciò aumenta la rigidità localmente attorno alla filettatura interna e riduce l'espansione radiale.

Piegamento dei filetti

Durante l'applicazione della coppia di serraggio in un dispositivo di fissaggio filettato si genera tra le filettature interne ed esterne una forza che tende a piegare le filettature. Questo fenomeno si traduce in una riduzione della resistenza a taglio nell'area in questione.

Un fattore determinante perché questo fenomeno sia più o meno pronunciato è il rapporto tra la forza delle filettature esterne e interne, in altre parole è il rapporto tra la forza necessaria per strappare le filettature del dado diviso la forza necessaria per strappare le filettature del bullone.