Aanhaalmethoden

Boutverbindingen zijn met afstand de belangrijkste verbindingen in de industrie. Alsmaar lichter gedimensioneerde machines en installaties vragen om kleinere boutafmetingen, met hoogwaardigere materialen die steeds dichter bij de rekgrens vastgezet moeten worden. Dat vraagt een hogere nauwkeurigheid. Daarnaast is documentatie van het aanhaalproces als bewijs naar opdrachtgevers en verzekeraars groeiend. Volautomatische verwerking van een door werkvoorbereiding ingevoerd aanhaalprotocol maken de kans op fouten minimaal. HYTORC heeft juiste oplossingen.

Meer dan 99% van alle industriële boutverbindingen worden draaiend -met een moment- op voorspanning gebracht. Meestal wordt daarbij het criterium van een gewenst eindmoment gebruikt. Echter steeds vaker wordt sturing op een hoekverdraaiing of zelfs rekgrens toegepast. Constructeurs zijn steeds beter in staat om de minimale en optimale voorspankracht van boutverbindingen te berekenen. HYTORC heeft producten ontwikkeld om aan die gestegen eisen te voldoen.

Om de kans op operatorfouten te verkleinen is de trend naar volautomatische verwerking van ingevoerde aanhaalprotocollen. Om de kans op materiaal- en constructiefouten te verkleinen is er bij kritische applicaties een trend om een tweede parameter als controle op de eerste in te zetten (VDI 2862-2). Operators worden direct geïnformeerd als er iets niet OK is. Het kan dan zelfs zo worden ingericht dat vrijgave van hogerhand nodig is om het montageproces te mogen hervatten. De parameters worden gedocumenteerd en gebruikt als bewijs voor engineering, opdrachtgevers en verzekeraars.

De belangrijkste en meest toegepaste methoden stellen wij aan u voor.

Overzicht van aanhaalmethoden

1. Draaimomentgestuurde aanhaalmethode (DGA)

Momentgestuurde methode

2. Draaivoegmoment + draaihoekgestuurde aanhaalmethode (DDW)

Hoekverdraaiingsmethode.

3. Rekgrensgestuurde aanhaalmethode (SGA)

Rekgrensgestuurde Methode

4. Over-elastische aanhaalmethode

5. Draaimomentgestuurd-draaihoekbewaakte aanhaalmethode (DGD)

Momentgestuurd-hoekbewaakt

6. Draaimoment gestuurd-rekgrensbewaakte aanhaalmethode (DGS)

Momentgestuurd-rekgrensbewaakt

7. Rekgrensgestuurd-hoekbewaakt (SGD)

8. Momentgestuurd + externe meetsensor (EXT)

9. Analyse van de doordraaihoek (ANA/DAT)

10. Combinatie van aanhaalmethoden (SEQ)

11. Procescapabiliteit analyse (SPSK)

Statistische evaluatie van de gemeten procesparameters. Kan ook als meetapparaat voor procescapabiliteit analyse (PCA)

DGA (Draaimomentgestuurde aanhaalmethode)

Momentgestuurde methode

  • Bouten vastzetten op basis van een ingesteld aanhaalmoment
  • Volautomatische procesverloop tot aan bereiken gewenst aanhaalmoment
  • Gedocumenteerde procesparameters: Datum, tijd, operator, ingesteld moment, gerealiseerd moment, OK/Niet OK-weergave.

Het draaimoment-gestuurde aanhaalproces is geschikt voor alle schroefverbindingen tot draaimomenten van ongeveer 200.000 Nm. Bij momentgestuurd aanhalen leidt een bepaald aanhaalmoment tot een voorspanning. Studies tonen aan dat ca. 90% van het moment/energie wordt gebruikt om wrijving te overwinnen en ca. 10% wordt gebruikt voor het realiseren van boutkracht. Deze relatie wordt grotendeels bepaald door de wrijving tussen de verbindingscomponenten en de applicatie. Voorwaarde voor een nauwkeurig resultaat is een bekende en stabiele wrijving. Factoren die de wrijving beïnvloeden zijn onder andere: Smeermiddel, oppervlaktegesteldheid van draag/draaivlakken, afschuif- en buigingskrachten tijdens montage, maatvoering en materiaalspecificaties. De VDI 2230 Richtlijn* leert dat onder conventionele omstandigheden een nauwkeurigheid in boutkracht te verwachten is van ±17% tot ±23%. Tenminste, als de oppervlaktes van te verbinden componenten goed van kwaliteit zijn en de schroefdraad en draagvlak van de moer haaks is.

Een HYTORC hydraulische momentsleutel werkt met een een op-en-neer-gaande zuiger in combinatie met een reactiepal. De reactiepal is een extra voorziening welke ervoor zorgt dat in niet-ideale boutconstructies het ingestelde moment toch daadwerkelijk netto op de moer aankomt. Deze pal is noodzakelijk bij lange bouten, hoge momenten, of een verend afsteunpunt. In dergelijke gevallen kan de torsiehoek gelijk worden aan takthoek van het gereedschap waardoor de moer weliswaar heen en weer beweegt maar niet draait ten opzichte van de bout. De reactiepal voorkomt terugloop van het binnenwerk tijdens de retourtakt en zorgt zodoende voor netto overdracht van moment naar voorspankracht.

Mechanische optimalisatie van de verbinding die de nauwkeurigheid verbetert

Bij draaimomentgestuurde verbindingen wordt vaak het aanhaalmoment als referentiewaarde genomen voor de nauwkeurigheid. Waar het echter bij alle verbindingen om draait is nauwkeurigheid in boutkracht. Zodoende richt HYTORC zich naast nauwkeurigheid van onze gereedschappen, ook op nauwkeurigheid van de boutkracht door twee schroefdraadsystemen optioneel toe te voegen:

  • Met het HYTORC Washersysteem worden boutverbindingen reactierarmvrij en dus afschuifkrachten vrij aangehaald met een nauwkeurigheid in boutkracht van ±10%.
  • Met het HYTORC Nutsysteem worden boutverbindingen naast afschuifkrachtvrij ook nog eens torsievrij aangehaald met een nauwkeurigheid in boutkracht van ± 5%. (Een gekalibreerde boutkracht.)

*VDI2230 Aanhaalfactor conventioneel: αA 1,4 -1,6 (±17% tot ±23%)
VDI2230 Aanhaalfactor met geoptimaliseerde wrijving: αA 1,1 -1,2 (±5% tot ±9%)
VDI2230 Aanhaalfactor met gecontroleerde wrijving: αA 1,0 -1,1 (±2,5% tot ±5%)

https://youtu.be/Gj-9QJhQuks

Draaivoegmoment + draaihoek-gestuurde aanhaalmethode (DDW)

Hoekverdraaiingsmethode

  • 1e criterium: bereikte voegmoment
    2de uitschakel criterium: bereikte hoekverdraaiing.
  • Automatische procesverloop met precieze omschakeling van voegmoment naar hoekverdraaiing
  • Instelbare bandbreedte voor minimaal en maximaal eindmoment
  • Documentatie van procesparameters: datum, tijd, operator, voegmoment, eindmoment, ingestelde hoek, gerealiseerde hoek, OK/Niet OK-weergave.

De hoekverdraaiingsmethode meet indirect de verlenging van de bout. Voorwaarde is dat de gemeten hoekverdraaiing wordt gebruikt voor deze verlenging. Daarom moet zeker gesteld zijn dat voor aanvang van hoekmeting alle voegen door het voegmoment naadloos op elkaar gedrukt zijn. En dat de samen te bouwen onderdelen de vlaktedruk aankunnen. Er is een relatie tussen de spoed x hoekverdraaiing x constructiefactor (L/D verhouding, elasticiteitsmodulus) en de bereikte boutverlenging. Alle vervormingen veroorzaakt door stuik en trek hebben hierop invloed. Voor pakkingflenzen is deze methode dan ook niet geschikt.

Het door HYTORC ontwikkelde systeem voor een hydraulische hoekverdraaiingsmethode bewaakt niet alleen het voegmoment en hoekverdraaiing maar ook het uiteindelijke bereikte eindmoment. Voor het eindmoment kan een bereik worden ingesteld op basis waarvan het systeem het aanhaalproces als voltooid en succesvol evalueert.

Deze aanhaalmethode is met name geschikt voor boutverbindingen met korte klemlengtes en wordt vaak in productielijnen toegepast.
VDI2230 aanhaalfactor: αA 1,2 -1,4

https://youtu.be/XAFEQttDyPo

Rekgrensgestuurde Aanhaalmethode (SGA)

Rekgrensgestuurde methode

  • Maximale boutkracht: De bout bereikt bij het aanhalen op basis van trek en torsie haar individuele rekgrens. Door het wegvallen van de torsiebelasting na het beeindigen van het aanhaalproces wordt een boutkracht van ca. 90% van de Rp0,2 rekgrens bereikt. De wrijvingscoefficient is een invloedsfactor: hoe lager de wrijving, hoe hoger de resterende voorspankracht.
  • Wrijvingsonafhankelijk: Onafhankelijk van de wrijving wordt iedere bout tot aan haar eigen unieke rekgrens belast. Bouten en moeren van verschillende makelij en batches kunnen zonder probleem door elkaar worden gebruikt.
  • Géén speciale bouten benodigd: lage directe kosten.
  • Hergebruik bouten: Omdat het systeem vóór de Rp0,2 rekgrens stopt kunnen bouten en moeren worden hergebruikt.
  • Geringe zettingsverliezen: alle verbindingscomponenten liggen onder hoge voorspanning in de hoofdkrachtlijn. Daarom heeft deze aanhaalmethode geringe zettingsverliezen.
  • Vermoeiing: hoger voorgespannen bouten hebben een hogere vermoeiingscoefficient. Doordat de voorspanning omhoog gaat ook de vermoeiingsweerstand omhoog.
  • Grafische weergave van relevante parameters en procesverloop.
  • Methode voldoet aan VDI2862-2 risicoklasse A. Deze richtlijn verplicht dat het aanhaalproces werkt met twee onafhankelijke parameters.

Rekgrensgestuurd aanhalen is een zeer beproefde methode welke al enkele decennia wordt toegepast in de automotive-industrie. Bij deze methode worden bouten tijdens het aanhalen vastgezet tot op de rekgrens/elasticiteitsgrens van een unieke verbinding. Daarbij wordt de rekgrens als controle parameter gebruikt voor het bepalen van de boutkracht. Het doel hierbij is om het sterktepotentieel van elke unieke bout maximaal uit te nutten, daar deze per bout verschillend is. Een materiaal sterkteklasse zegt iets over de minimale treksterkte van het materiaal, echter hanteren fabrikanten een veiligheidsmarge en beschikt de bout over een latente reserves.

Onafhankelijk van de wrijvingscoëfficiënt onder boutkop of op de schroefdraad wordt de bout vastgezet tot op de rekgrens. Gedurende de montage wordt de quotiënt berekent door het koppel en de gemaakte hoek op elkaar te delen. Op het punt dat de quotiënt significant verandert, is de elastische grens van de verbinding bereikt en zal het systeem het montageproces stoppen. Net als bij de moment-hoekmethode moet de verbinding eerst worden vastgezet op een start- of voegmoment, alvorens de draaihoek kan worden gemeten. Vaak kan de afslagwaarde van de gradiënt worden ingesteld. Omdat de bout slechts zeer marginaal plastisch vervormd wordt (<0,2Rp), kunnen zelfs bouten met een korte ingespannen lengte worden vastgezet met de rekgrens gestuurde methode. Boutverbindingen kunnen niet breken bij rekgrens gestuurd aanhalen. Zie opmerking VDI-2230 – Nov. 2015 Tabel A8. Ook kunnen bouten worden hergebruikt.

Vaak wordt de vraag gesteld of er dan voldoende reserve is voor dynamische belasting tijdens operatie van de installatie of applicatie. Het antwoord is ja. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van het feit dat bij het vastdraaien van boutverbindingen niet alleen een axiale spanning, maar ook een torsiespanning ontstaat als gevolg van de schroefdraadwrijving. De referentie van de rekgrens wordt bepaald door de resultante van beide belastingen. Onmiddellijk na het wegnemen van het koppel veert de torsiecomponent met ongeveer 50% terug. Als gevolg neemt de boutkracht af, en verkrijgt de verbinding opnieuw een elastische reserve welke voldoende is voor eventuele dynamische belastingen tijdens bedrijf. De overige torsiespanning vloeit grotendeels weg over tijd en onder invloed van trillingen. Dit is meestal een proces van dagen of weken.

Deze methode is met name geschikt voor staal-op-staal-verbindingen met korte tot normale ingeklemde lengte, zoals bijvoorbeeld in de constructiebouw.
De Eco2Touch besturing stuurt, controleert, documenteert alle procesparameters zoals: datum en tijd, operator, eindmoment, hoek en eventueel ingestelde controle bandbreedtes. De hardware is veelomvattend echter is de uitvoering (lees: bediening) simpel omdat het proces volledig automatisch verloopt. De operator hoeft enkel het pompsysteem te starten. Het systeem zal zichzelf uitschakelen wanneer de verbinding binnen de ingestelde parameters is voltooid en dit bevestigen middels een akoestisch en visueel signaal. De methode is daarom ook geschikt op bouwplaatsen en kan zonder rekenwerk en voorbereiding voor ‘eenmalige’ toepassingen worden ingezet.

VDI2230 aanhaalfactor: niet van toepassing

https://youtu.be/d-iq4XdnU5g

Over-elastische aanhaalmethode (DDW of SGA+DW)

Aanhalen tot voorbij de rekgrens

Bij over-elastisch aanhalen wordt ofwel de moment-hoek methode als basis gebruikt, ofwel de rekgrens gestuurde methode in combinatie met een draaihoek. In geval van de moment-hoek methode wordt eerst op een voegmoment voorgespannen, waarna een draaihoek zorgt voor de uiteindelijke voorspanning. Bij rekgrens gestuurd aanhalen wordt eerst op de rekgrens voorgespannen en daarna een draaihoek gemaakt. In beide gevallen wordt de bout in de plastische zone voorgespannen, wat betekent echter dat bouten en moeren niet kunnen worden hergebruikt. Het zorgt voor maximale benutting van materiaalcapaciteit en boutkracht. De duurzaamheid van de verbinding neemt daarbij sterk toe:

  • Als gevolg van het gedeeltelijk wegvloeien van de torsiespanning direct na het wegnemen van het moment komen spanningreserves vrij voor operationele belasting in een later stadium.
  • Door plastische vervorming van de schroefdraad van bout en moer tijdens het aanhalen ontstaat een betere verdeling van de boutkracht over de diverse draadgangen die ook na ontspanning terug in het elastisch bereik beter verdeeld blijft. Mocht nadien onder invloed van bedrijfskracht verdere plastische vervorming optreden dan zullen hiermee verbonden zettingsverliezen de verbinding terug in elastisch gebied terugbrengen.
  • Als na assemblage door bedrijfskrachten (FA) een verdere plastificering in de bout optreedt, dan zal door de hieraan verbonden relaxatie en zetting verliezen (FZ) de verbindingen in het elastisch gebied terug keren.

Geschikt voor VDI 2862-2 risicoklasse A, B, C

https://youtu.be/R0PtHj6oMJc

DraaimomentGestuurd-Draaihoekbewaakt (DGD)

Momentgestuurd-hoekbewaakt

De stuurparameter in deze aanhaalmethode is het gewenste moment, waarbij de bereikte draaihoek de referentie/bewakingsparameter is aan het einde van het proces. De draaihoek dient als tweede controleparameter. Hiermee kan bijvoorbeeld het vreten van een bout of juist het onbedoeld vloeien van een bout worden herkend. De methode sluit goed aan bij de meest gebruikte methode (momentgestuurd) en vereist dan geen aanpassing van het protocol. Het biedt echter wel extra zekerheden in geval van afwijkingen, doordat de draaihoek als tweede parameter wordt bewaakt.

https://youtu.be/XgBwRDuSlJc

Draaimomentgestuurd – Rekgrensbewaakt (DGS)

Momentgestuurd-rekgrensbewaakt

Voor toepassingen met grote varatie in wrijving in combinatie met boutkrachten die dicht tegen de rekgrens aan zitten zodat overschrijdingsgevaar dreigt. De stuurparameter in deze aanhaalmethode is het gewenste koppel, en de rekgrens van de bout is de controle/bewakingsparameter. Ook deze methode vereist geen aanpassing van het standaard protocol, omdat de rekgrens alleen als extra parameter bewaakt wordt. De rekgrens wordt herkend door de verandering van verhouding tussen moment en hoek (aanvang non-lineariteit). Indien de rekgrens wordt bereikt voordat het gewenste moment is bereikt, wordt het montageproces gestopt. Zo kunnen bouten nooit meer breken.
Hierbij is dezelfde hardware benodigd als bij rekgrens gestuurd aanhalen.

Geschikt voor VDI2862-2 risicoklasse: A, B, C.

https://youtu.be/zJDJ0jIDe9s

Rekgrensgestuurd – hoekbewaakt (SGD)

De stuurparameter in deze aanhaalmethode is het bereiken van de rekgrens, en de gemaakte draaihoek is de controle/bewakingsparameter aan het eind van het montage proces. Indien de draaihoek overschreden wordt vóór het bereiken van de rekgrens van de (boutverbinding, zal het proces gestopt worden.

Geschikt voor VDI2862-2 risicoklasse A, B, C.

Momentgestuurd + Externe meetsensor (EXT)

Bij deze aanhaalmethode is de stuurparameter het gewenste koppel én een waarde van andere externe meetapparatuur, bijvoorbeeld een load cell/boutkrachtmeter. Zodra de externe apparatuur de doelwaarde aangeeft, wordt het montage proces gestopt. Dit vraagt om een continue meting en is meestal in de vorm van een stroomsignaal.

Geschikt voor VDI2862-2 risicoklasse A (gelimiteerd), B, C.

Analyse van de doordraaihoek (ANA/DAT)

Deze analysemodule bepaalt de doordraaihoek van een bout vanaf een gedefinieerd startmoment (meestal 50% van eindmoment) tot het bereiken van het gedefinieerde eindmoment. Bij deze montagemethode is het eindmoment de stuurparameter. De gemaakte doordraaihoek dient als indicatie van de voorspanning alvorens het opnieuw aandraaien van de bout. Deze methode wordt vaak toegepast bij natrekken/controleren van boutverbindingen.

Combinatie van aanhaalmethoden (SEQ)

Deze module maakt het mogelijk om alle beschikbare montagemethoden in willekeurige volgorde uit te voeren.

Procescapabiliteitsanalyse (SPSK)

Statistische evaluatie van de gemeten procesparameters. Kan ook als meetapparaat voor procescapabiliteit analyse (PCA).