Friction in threaded fasteners
Influence of materials and tooling
Tid: Fr 2022-10-14 kl 10.00
Plats: Gladan, Brinellvägen 85, Stockholm
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/62832519092
Språk: Engelska
Ämnesområde: Maskinkonstruktion
Respondent: Mayank Kumar , Maskinkonstruktion (Inst.), Atlas Copco Industrial Technique AB
Opponent: Prof. Robert Wood, University of Southampton
Handledare: Professor Sergei Glavatskih, Maskinkonstruktion (Avd.); Dr. Erik Persson, Maskinkonstruktion (Avd.), Atlas Copco Industrial Technique AB; Dr. Ellen Bergseth, Maskinkonstruktion (Avd.), Maskinelement, Tribologi; Prof. Ian Sherrington, Maskinkonstruktion (Avd.), University of Central Lancashire
Abstract
Gängade fästelement är den vanligaste typen av maskinelement, med en unik funktion som underlättar montering och demontering. Denna enkla demontering gör att maskindelar kan återanvändas, renoveras och återvinnas. Även om dessa komponenter är lätta att montera måste flera faktorer beaktas för att uppnå önskad klämkraft och för att utnyttja fästelementet till dess maximala belastningskapacitet. Forskningen som presenteras i avhandlingen jämför olika åtdragningsstrategier och monteringsverktyg för att visa att klämkraften och dess spridning påverkas av variationerna i friktionskoefficienten (CoF) i mycket större utsträckning än av monteringsverktygets noggrannhet. Forskningsfokuset ligger därför på att förstå friktionsresponsen i ett gängat skruvförband under åtdragning.
En rad konstruktions- och monteringsfaktorer övervägs för att identifiera hur tillförlitligheten kan öka hos skruvförbanden. Dessa faktorer inkluderar åtdragningshastighet, beläggning, yttopografi, fästelementens lagringsförhållanden, skärvätskerester och klämda parter. En momentstyrd, tvåstegs åtdragningsmetod användes huvudsakligen i studierna eftersom den är vanligen förekommande både i fordons- och den allmänna industrin för att dra åt skruvförband.
En toppmodern friktionstestrigg (FTR) byggdes för att kvantifiera variationer i CoF mellan gängans och under-skallens kontaktytor vid åtdragning. Beläggningar och kontaktytor karakteriseras också med hjälp av SEM, FIB, indenters och optiska mikroskop för att få en inblick i de troliga orsakerna bakom CoF-variationen.Fästelement med olika Zn-baserade beläggningar skruvades åt på plattor med yttopografi som liknar de som finns inom bilindustrin. Proverna rengjordes inte före testningen utan användes "som de kom" från leverantören. Graden av skador på förbands- och gängytor från åtdragningen beror på beläggningens hårdhet. Den hårdaste beläggningen (Zn-Ni) förblev relativt oskadad men gav dubbelt så hög CoF i kontakten under skallen jämfört med den mjukaste beläggningen (Zn-flake). Friktionen under skallen dominerar ofta åtdragningsprocessen och kan påverkas avsevärt av fogytans topografi och renhet.
Inom fordonsindustrin är många delar som ska monteras inte noggrant rengjorda, vilket ökar risken för skärvätskerester på förbandets yta. Olika typer av skärvätskor jämfördes i en studie av där gängade fästelement drogs åt mot plåtar "som de kom" och rengjorda. Det visade sig att CoF kan minska drastiskt beroende på beläggnings- och skärvätsketyper. En esterbaserad skärvätska gav bäst resultat med lägst CoF i kontakten under skallen på grund av dess högre viskositet och polaritet. En vattenbaserad vätska uppvisade en betydligt större spridning.
Vatten kan också påverka friktion på grund av skillnader i fuktighet och temperatur. Ibland förvaras fästelement utanför fabriken, vilket kan leda till vattendiffusion i ytbehandlingen i ett varmt och fuktigt klimat eller till kondensering av vatten på fästelementets yta när det förs in i produktionshallen från utomhusförvaringen vid minusgrader. Vatten på eller i beläggningen kan leda till en låg CoF, med överdragning och brott i fästelement. Fyra Zn-baserade beläggningar jämfördes och visade olika reaktioner beroende på beläggningsstruktur och topplack.
Ett annat sätt att minska CoF är att använda en åtdragning med varierande hastighet. Det bidrar också till en ökad produktivitet, eftersom den är snabbare, och förbättrar operatörens ergonomi eftersom det ger mycket lägre reaktionsmoment. En mycket högre CoF observerades för EPZ-beläggning när den dras åt vid en konstant och mycket låg hastighet, 5 rpm, på grund av kohesion, vilket resulterande i materialöverföring, jämfört med CoF under hög, variabel hastighet åtdragning. Samtidigt påverkade den mjuka Zn-flake-beläggningen CoF oavsett hastighet, eftersom ytbehandlingen lätt skjuvades och då fungerade som ett fast smörjmedel.
En mjuk beläggning är också praktisk när den används i kontakt med delar som är tillverkade med hjälp av additiv tillverkning (AM). AM-delarna är ofta grova på ytan, men med en mjuk beläggning kan det mildra ökningen av CoF under skallen. Ett intressant upptäckt var att den billigaste lösningen, dvs. att använda ett obelagdt skruv, fungerar mycket bra. En korrosionsskyddsolja på det obehandlade fästelementet hjälpte till att uppnå en låg CoF. När AM-plattan bearbetades ökade CoF och ytskadorna avsevärt på grund det ytskikt som skapades genom bearbetningen.
Resultaten som presenteras i avhandlingen ökar förståelsen för hur olika konstruktions- och monteringsfaktorer styr friktionen i gängans och under skallens kontakter. Kontakten under skallen dominerar friktionsresponsen. Ett ordentligt urval och justering av dessa faktorer kommer att hjälpa konstruktörer att optimera skruvförband och uppnå ett högt utnyttjande av fästelements hållfasthet.