Aanhaalmethoden

Een verbinding met knowhow

Boutverbindingen zijn de belangrijkste verbindingen in de industrie. Moderne rekenprogramma’s maken het mogelijk om machines en installaties steeds lichter en met kleinere veiligheidsmarges te ontwerpen. Materialen worden hierbij hoger belast, dichter tegen de fysische grenzen van het materiaal. Dat vraagt om een nauwkeurigere en stabiele boutkracht in boutverbindingen.

Meer dan 99% van alle industriële boutverbindingen worden draaiend, middels een koppel, op voorspanning gebracht. Meestal wordt daarbij het criterium van een gewenst eindmoment gebruikt. Echter steeds vaker worden andere methoden als moment-hoek en rekgrens-gestuurde methoden toegepast waarmee bouten hoger kunnen worden voorgespannen en meer potentieel uit de sterke van het materiaal wordt benut. Om aan die wensen te kunnen blijven voldoen worden er in de bolting industrie gereedschappen ontwikkeld welke geavanceerder zijn dan ooit.

Naast een goede methode is de vraag naar documentatie van het aanhaalproces als bewijs naar opdrachtgevers en verzekeraars groeiend. Volautomatische verwerking van een (van tevoren) ingevoerd aanhaalprotocol maken de kans op operatorfouten minimaal. Om de kans op materiaal- en constructie fouten te verkleinen is er bij kritische applicaties een trend om een tweede parameter als controle op de eerste in te zetten (VDI 2862-2). Dit wordt doorgaans de controleparameter genoemd.

De belangrijkste en meest toegepaste bolting methoden lichten wij hieronder toe.

Draaimomentgestuurde aanhaalmethode

In het geval van de moment gestuurde aanhaalprocedure stopt de momentsleutel als een ingesteld eindmoment wordt bereikt. In dit proces is de kennis van de wrijvingscoëfficiënt erg belangrijk. Zowel het smeermiddel als de kwaliteit van de verbindingscomponenten en hun oppervlakken beïnvloeden deze wrijving. Studies tonen aan dat ca. 90% van het koppel wordt gebruikt om wrijving te overkomen, ca. 10% wordt gebruik voor het verlengen van de bout. Aangezien verlenging recht-evenredig is gerelateerd aan boutkracht* (wet van Hooke), is het van belang dat de wrijvingscoëfficiënt bekend en stabiel is voor nauwkeurige resultaten in termen van boutkracht. De VDI Richtlijn* leert dat onder conventionele omstandigheden een nauwkeurigheid in boutkracht te verwachten is van ±17% tot ±23%. Mits de oppervlakten van te verbinden componenten goed van kwaliteit zijn en de schroefdraad/draagvlak van de moer haaks is. Geschikte smeermiddelen dienen te worden toegepast, overeenkomstig met de in de momentberekeningen aangenomen wrijvingscoëfficiënt. De moment gestuurde aanhaalmethode is nog altijd de meest gebruikte methode. Echter zijn er in de loop der jaren meer geavanceerdere methoden ontwikkeld voor een betere grip op de gewenste boutkracht.

Mechanische optimalisatie:

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 is middels mechanische optimalisatie doorgaans een grote winst te behalen op het gebied nauwkeurigheid en stabiliteit van de boutkracht. Enkele voorbeelden van mechanische optimalisatie zijn:

Bouten en moeren met hoge mate van afwerking: juiste oppervlakte ruwheid, juiste toleranties, afgevlakte moeren voor zodat het gat en spiegelvlak haaks zijn.
Coatings voor wrijvingsoptimalisatie.
Door en door geharde onderlegringen voor garantie van de juiste ondergrond waarover de moer of boutkop draait.
Axiale afsteuning van het momentgereedschap zodat buigingskrachtenvrij kan worden ge(de)monteerd.

*De recht-evenredigheid geldt alleen in het elastische gebied van de belasting, tot aan de rekgrens/elasticiteitsgrens.

*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%)

Draaivoegmoment + draaihoek-gestuurde aanhaalmethode

Bij de moment-hoekmethode wordt indirect de verlenging van de bout gemeten. Middels de spoed van de schroefdraad kan een draaihoek worden gekoppeld aan de verlenging van de bout, welke weer recht-evenredig is aan boutkracht* (wet van Hooke). Dit geldt echter alleen wanneer een draaihoek volledig wordt omgezet in een verlenging van de bout. Zodoende moet worden gegarandeerd dat voor aanvang van de hoekmeting alle ingeklemde delen vlak aansluiten op elkaar, en dat de applicatie de vereiste oppervlaktespanning kan weerstaan. Dit realiseert men door eerst een zogenaamd voegmoment aan te brengen. Dit is geheel applicatieafhankelijk en vereist een precieze berekening of vaststelling middels praktijktesten.

Deze methode is met name geschikt voor boutverbindingen met een korte ingeklemde lengte en wordt veel gezien in staal op staal verbindingen zoals in constructiebouw en machinebouw. Deze methode leent zich goed voor ISO 4014, ISO 4017 en ISO 4762 bout-blindgat verbindingen, daar de contramoer niet kan meedraaien. Bij meedraaien van de contramoer zou de netto draaihoek lager uitkomen en niet resulteren in de berekende boutkracht. Tevens dient een geschikt smeermiddel te worden toegepast om vreten van bouten te voorkomen. De nauwkeurigheid in termen van boutkracht en duurzaamheid van een verbinding kan nog hoger worden gemaakt door deze aan te halen tot op de rekgrens / elastische grens.

*geldt alleen in het elastische gebied van de belasting, tot aan de elasticiteitsgrens.

VDI2230 aanhaalfactor: αA 1,2 -1,4

Rekgrensgestuurde aanhaalmethode

Rekgrens gestuurd aanhalen is een zeer beproefde methode welke reeds enkele decenia wordt toegepast in de automotive industrie. Bij rekgrensgestuurd aanhalen van boutverbindingen worden bouten tijdens het aanhalen vastgezet tot op de rekgrens/elasticiteitsgrens van een unieke verbinding. Daarbij wordt de rekgrens als stuurparameter 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 moment 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, aldus 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 moment 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-staalverbindingen met korte tot normale ingeklemde lengte, zoals bijvoorbeeld in de constructiebouw.
VDI2230 aanhaalfactor: niet van toepassing.

Over-elastische aanhaalmethode

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 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 spanningsreserves 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 bedrijfskrachten verdere plastische vervorming optreden dan zullen hiermee verbonden zettingsverliezen de verbinding terug in elastisch gebied terugbrengen.
Indien na assemblage door bedrijfskrachten (FA) een verdere plastificering in de bout optreedt, dan zal door de hieraan verbonden relaxatie en zettingsverliezen (FZ) de verbindingen in het elastisch gebied terug keren.

Geschikt voor VDI 2862-2 risico klasse A, B, C

Draaimomentgestuurd – draaihoekbewaakt

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 controle parameter. 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 (moment gestuurd) 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.
Geschikt voor VDI 2862-2 risico klasse A, B, C.

Draaimomentgestuurd – rekgrensbewaakt

Voor toepassingen met grote variatie in wrijving en hoge voorspankrachten (dicht tegen rekgrens) waardoor 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 assemblageproces gestopt. Zo kunnen bouten nooit meer breken.

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

Rekgrensgestuurd – hoekbewaakte aanhaalmethode

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.

Aanhalen middels een extern gestuurd signaal

Bij deze aanhaalmethode wordt zowel het gewenste eindmoment én een waarde van andere externe meetapparatuur gebruikt, bijvoorbeeld een loadcell/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

Deze analysemodule bepaalt de doordraaihoek van een bout vanaf een gedefinieerd startkoppel tot het bereiken van het gedefinieerde eindkoppel. Bij deze montagemethode is het eindkoppel 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

Sommige systemen in de markt zijn in staat om diverse assemblagemethoden in willekeurige volgorde te combineren.