Como indicador central para controlartornillofuerza de sujeción, la realidad es que la mayor parte del par de apriete se pierde por fricción, y sólo una pequeña porción se convierte en fuerza de sujeción. Entonces, ¿qué factores determinan en última instancia la distribución del par de apriete de los pernos y la magnitud del coeficiente de fricción? Hoy, el editor de Jiangsu Jinrui compartirá un estudio empírico basado en análisis de microtopografía, que revela los factores clave que influyen en la distribución del torque de los pernos y el coeficiente de fricción, proporcionando una base sólida para lograr una fijación de alta-confiabilidad.
1. Coeficiente de fricción y distribución de par
Al apretar un perno, el par de entrada no se utiliza por completo para estirar el perno y generar fuerza de sujeción. De hecho, el par se distribuye entre tres vías de consumo:
Fricción de la rosca: la fricción se produce en el área de contacto de la rosca entre el perno y la tuerca, consumiendo una gran cantidad de torque;
Fricción en la superficie del rodamiento: también existe fricción entre la cabeza del perno y la arandela o la superficie del componente conectado, y el torque consumido en esta parte representa una proporción mayor;
Efecto del ángulo de avance de la rosca (es decir, componente de precarga efectiva): Sólo esta parte del torque se utiliza realmente para estirar el perno y así formar la fuerza de sujeción.
Los estudios han demostrado que aproximadamente entre el 85% y el 90% del torque se utiliza para superar la fricción, y solo alrededor del 10% se convierte en fuerza de tracción del perno.
Esto significa que una vez que cambia el coeficiente de fricción, la eficiencia de conversión de torque cambiará en consecuencia, lo que resultará en una posible diferencia de más del doble en la fuerza de sujeción generada bajo el mismo torque. Por lo tanto, no es fiable bloquear la fuerza de sujeción únicamente mediante par.
2. Diseño del esquema
Para explorar en profundidad los factores centrales que determinan la distribución del torque de los pernos y el coeficiente de fricción, el Laboratorio de Tribología de la École Centrale de Lyon en Francia diseñó un esquema experimental sistemático. El objetivo principal de este esquema es combinar pruebas mecánicas con análisis de microtopografía de superficie para establecer una relación causal entre el comportamiento de fricción y la microestructura.
El experimento se realizó de acuerdo con la norma ISO 16047 para pruebas de fuerza de torsión-de sujeción. Los pernos utilizados fueron de especificación M10×60, fabricados de acero 30MnB4, los cuales fueron cabeza fría-, roscados-laminados y luego electrogalvanizados. Los valores específicos del par total se registraron en detalle, mientras que el par de la rosca y el par de la superficie del rodamiento se separaron para calcular con precisión el coeficiente de fricción y analizar la ley de distribución del par. Se utilizó tecnología de escaneo de topografía tridimensional-para extraer parámetros-relacionados con la rugosidad, y se compararon los cambios de parámetros antes y después del ajuste para explorar la correlación intrínseca entre el comportamiento de fricción y la microtopografía. Este diseño no solo considera el rendimiento mecánico sino que también profundiza en el nivel micro, revelando las razones fundamentales de los cambios en la distribución del torque de los pernos y el coeficiente de fricción.
3. Método de verificación de prueba
Basado en el esquema anterior, se construyó un dispositivo de prueba conforme a la norma ISO 16047, que puede medir con precisión el par y la fuerza de sujeción. El proceso de prueba incluye los siguientes enlaces:
Fijación y carga de pernos: instale el perno en un banco de pruebas estandarizado, aplique un par establecido y registre en tiempo real- los valores de par total, par de rosca, par de superficie de apoyo y fuerza de sujeción;
Medición de separación por fricción: Separe la fricción del hilo de la fricción de la superficie del rodamiento a través de la estructura especial del dispositivo y los sensores para garantizar la precisión del cálculo del coeficiente de fricción;
Disposición de escaneo topográfico: antes y después de cada operación de ajuste, realice un escaneo tridimensional-en la superficie de apoyo de la cabeza del perno y la superficie de la arandela para capturar información de características a nivel de micrones-;
Extracción y análisis de parámetros: extraiga parámetros relacionados con la rugosidad-y combínelos con datos de fricción para analizar la relación correspondiente entre los cambios de topografía de la superficie y el comportamiento de la fricción.
La siguiente figura muestra la estructura del banco de pruebas y las posiciones específicas de los puntos de medición.
4. Análisis de los resultados de la topografía.
Los datos de las pruebas revelaron varios fenómenos clave que ayudan a comprender en profundidad los factores fundamentales que determinan la distribución del par y el coeficiente de fricción:
4.1 Cambios dinámicos del coeficiente de fricción
Durante el proceso de apriete, el coeficiente de fricción no es constante sino que cambia continuamente con el estado de contacto. Generalmente, el coeficiente de fricción de la superficie del rodamiento es aproximadamente un 44% mayor que el coeficiente de fricción de la rosca, lo que indica que la mayor parte del torque se consume en la superficie del rodamiento en lugar de en la superficie de la rosca.
4.2 Dispersibilidad de torque significativa
Incluso cuando se establece el mismo objetivo de fuerza de sujeción, la diferencia en el par requerido puede ser casi el doble. Por ejemplo, algunos tornillos requieren un par de 96,7 Nm, mientras que otros solo necesitan 54,5 Nm. Esta dispersabilidad de los valores de par está causada directamente por la inestabilidad del coeficiente de fricción.
4.3 Evolución significativa de la topografía de la superficie
Los resultados del escaneo tridimensional-muestran que los parámetros de rugosidad de la superficie del rodamiento han sufrido cambios significativos:
Sq (rugosidad cuadrática media) disminuyó de aproximadamente 5,3 μm a 1,04 μm, y la superficie se volvió más suave;
Ssk (asimetría) se volvió negativa, lo que indica un cambio en la distribución de los picos y valles de la superficie, con más material concentrado en los puntos bajos (valles) de la superficie y las características de los pozos se volvieron más obvias;
El valor de Sku (kurtosis) aumentó, lo que significa que se mejoró la capacidad de carga de la superficie.
Estos cambios indican que durante el proceso de apriete, la superficie sufre deformación plástica, el área de contacto real aumenta y el comportamiento de fricción cambia en consecuencia. La siguiente figura muestra la topografía tridimensional-de la superficie de apoyo de la cabeza del perno antes y después del ajuste: antes del ajuste, la superficie presenta una estructura de pico-valle rugosa obvia; después de apretar, los picos ásperos se cortan, la superficie tiende a ser plana y la direccionalidad es más obvia. Esto muestra que la fricción no sólo consume energía sino que también remodela la estructura de la superficie a nivel micro.
La siguiente figura marca claramente las marcas de fricción y las áreas de deformación plástica en la superficie del rodamiento a través de observación microscópica: hay rayones importantes en algunas áreas y la dirección de extensión de los rayones es consistente con la dirección de rotación del perno, lo que indica que la fricción ha causado flujo de material y daños en la superficie.
La siguiente figura presenta las características desiguales del contacto de la superficie del rodamiento: el área de contacto real es mucho más pequeña que el área nominal y la carga se concentra en unas pocas microáreas, lo que genera estados de tensión locales-altos y deformación plástica. Este contacto desigual es el factor clave que provoca las fluctuaciones en el coeficiente de fricción.
