Statyczny a dynamiczny pomiar momentu dokręcania wkrętarki – dlaczego wyniki mogą się różnić?
Z cyklu: Akademia Efektywnego Montażu 7. Ta sama wkrętarka, dwa różne wyniki pomiaru momentu – skąd bierze się różnica? Tym razem wyjaśniamy, czym różni się pomiar dynamiczny od statycznego, kiedy należy stosować każdą z metod i dlaczego ich bezpośrednie porównywanie może prowadzić do błędnych wniosków.
| 7 | AKADEMIA EFEKTYWNEGO MONTAŻU |
Statyczny a dynamiczny pomiar momentu dokręcania wkrętarki – czym naprawdę różnią się te metody?
Ta sama wkrętarka, dwa różne wyniki. Który jest prawidłowy?
Ta sama wkrętarka może podczas kontroli dać wynik 1,85 Nm, a po dokręceniu śruby pomiar kluczem kontrolnym może wskazać 2,10 Nm. Możliwa jest również sytuacja odwrotna – po zakończeniu montażu zmierzona wartość będzie niższa niż moment zarejestrowany podczas dokręcania.
Nie musi to oznaczać błędu narzędzia ani urządzenia pomiarowego. Różnica często wynika z zastosowania dwóch różnych metod kontroli:
- pomiaru dynamicznego – wykonywanego podczas dokręcania,
- pomiaru statycznego – wykonywanego po zakończeniu dokręcania.
Warto również pamiętać, że określenia „statyczny” i „dynamiczny” mogą odnosić się do rodzaju przetwornika momentu, a nie do samej metody kontroli połączenia.
Pomiar dynamiczny momentu podczas dokręcania
Pomiar dynamiczny to pomiar momentu wykonywany w trakcie rzeczywistego procesu dokręcania.
Moment jest rejestrowany podczas obrotu śruby – od rozpoczęcia cyklu aż do osiągnięcia warunku zakończenia dokręcania. Można więc obserwować przebieg momentu w funkcji czasu, a w bardziej zaawansowanych systemach również w funkcji kąta obrotu. Pomiar dynamiczny pozwala uwzględnić zachowanie całego układu podczas dokręcania: narzędzia, śruby oraz samego połączenia.
Na uzyskany przebieg wpływają między innymi prędkość obrotowa narzędzia, bezwładność jego elementów, charakterystyka sprzęgła lub algorytmu sterowania, sztywność połączenia, tarcie w gwincie i pod łbem śruby oraz sposób narastania momentu. Z tego powodu ten sam klucz lub wkrętarka mogą uzyskiwać nieco inne wartości na połączeniu twardym i miękkim. Pomiar dynamiczny jest podstawową metodą oceny parametrów narzędzi montażowych. Norma ISO 5393, dotycząca badań narzędzi obrotowych do montażu połączeń gwintowych, opiera pomiar parametrów narzędzia właśnie na pomiarach wykonywanych dynamicznie podczas procesu dokręcania.
Co właściwie mierzymy dynamicznie?
Warto zwrócić uwagę na istotną różnicę pomiędzy momentem ustawionym, momentem zmierzonym i momentem pozostającym później w połączeniu. Jeżeli wkrętarka jest ustawiona przykładowo na 2,0 Nm, nie oznacza to automatycznie, że każdy możliwy sposób pomiaru tego połączenia pokaże dokładnie 2,0 Nm.
W przypadku narzędzia wyposażonego w przetwornik momentu możemy rejestrować moment bezpośrednio podczas dokręcania. W przypadku wkrętarki ze sprzęgłem mechanicznym jej pracę możemy sprawdzać na testerze z odpowiednim symulatorem połączenia. Istotna jest przy tym dynamika całego układu. Prędkość obrotowa, bezwładność, sztywność symulatora oraz sposób wyłączenia sprzęgła mogą wpływać na wartość szczytową zarejestrowaną przez urządzenie pomiarowe.
Dlatego podczas oceny powtarzalności narzędzia należy zachowywać takie same warunki testu.
Dlaczego należy okresowo kontrolować moment dokręcania wkrętaków z wyłączanym sprzęgłem?
Pomiar statyczny – kontrola już wykonanego połączenia
Pomiar statyczny wykonuje się po zakończeniu procesu dokręcania, na już wykonanym połączeniu. Najczęściej wykorzystuje się do tego elektroniczny klucz dynamometryczny wyposażony w przetwornik momentu i odpowiednią procedurę pomiarową.
Operator przykłada moment do dokręconej wcześniej śruby i obserwuje zachowanie połączenia podczas próby ponownego wprawienia śruby w ruch. Nie jest to jednak ponowne odtworzenie momentu, który występował w chwili zakończenia dokręcania. Od momentu zatrzymania narzędzia stan połączenia może już zacząć się zmieniać.
Moment resztkowy a moment ruszenia śruby
W tym miejscu warto rozróżnić dwa często mylone pojęcia.
Moment resztkowy (residual torque) jest wartością wyznaczaną podczas kontroli dokręconego połączenia i służy do oceny stanu połączenia po montażu.
Z kolei breakaway torque, czyli moment potrzebny do przełamania tarcia statycznego i rozpoczęcia ponownego ruchu śruby, może objawiać się jako lokalny szczyt momentu. Te wartości nie zawsze są identyczne.
W profesjonalnych systemach kontroli połączeń stosuje się odpowiednie strategie wykrywania momentu resztkowego, często wykorzystujące jednoczesny pomiar momentu i kąta. Pozwala to rozpoznać punkt rozpoczęcia rzeczywistego ruchu śruby i ograniczyć wpływ chwilowego maksimum wynikającego z tarcia statycznego. Dlatego samo odczytanie maksymalnego momentu potrzebnego do „ruszenia śruby” jest znacznym uproszczeniem kontroli momentu resztkowego
Czy pomiar statyczny powinien dawać wyższy wynik?
Nie.
Nie ma uniwersalnej zasady mówiącej, że wynik kontroli statycznej powinien być wyższy od momentu zmierzonego podczas dokręcania. Może być wyższy, niższy albo zbliżony.
Przy próbie ponownego ruszenia śruby rzeczywiście pojawia się tarcie statyczne, którego przełamanie może powodować chwilowy wzrost momentu. Z drugiej strony już bezpośrednio po dokręceniu w połączeniu mogą wystąpić osiadanie powierzchni, relaksacja materiałów, odkształcenia uszczelek lub tworzyw sztucznych oraz zmiany warunków tarcia.
W efekcie moment mierzony po zakończeniu dokręcania może być niższy od wartości zarejestrowanej dynamicznie. Z tego względu nie należy przyjmować stałej różnicy procentowej pomiędzy momentem dynamicznym a statycznym. Jeżeli taka zależność jest potrzebna dla konkretnego procesu produkcyjnego, należy ją wyznaczyć eksperymentalnie dla danego połączenia, narzędzia, parametrów dokręcania i czasu pomiędzy montażem a kontrolą.
Czy można porównywać pomiar dynamiczny i statyczny?
Można – ale trzeba wiedzieć, co się porównuje. Nie należy oczekiwać, że moment zarejestrowany podczas dokręcania będzie identyczny z wynikiem późniejszej kontroli połączenia. Można natomiast przeprowadzić serię dokręceń, następnie wykonać kontrolę momentu resztkowego i na tej podstawie określić korelację pomiędzy wynikiem dynamicznym narzędzia a stanem połączenia po dokręceniu. Takie podejście stosuje się w profesjonalnych systemach montażowych. Dla konkretnego połączenia można wyznaczyć współczynnik korelacji pomiędzy momentem dynamicznym a momentem resztkowym.
Korelacja ta nie powinna być jednak automatycznie przenoszona na inne śruby, materiały, prędkości dokręcania czy strategie montażowe.
Pomiar momentu nie jest bezpośrednim pomiarem siły zacisku
Celem dokręcenia śruby nie jest w rzeczywistości uzyskanie określonego momentu obrotowego. Celem jest uzyskanie odpowiedniego napięcia śruby i siły zacisku łączonych elementów. Moment jest wygodnym pośrednim parametrem sterującym procesem. Znaczna część energii dostarczanej podczas dokręcania jest zużywana na pokonanie tarcia w gwincie oraz pod łbem śruby lub nakrętką. Dlatego dwa połączenia dokręcone dokładnie takim samym momentem mogą osiągnąć różną siłę zacisku.
Z tego samego powodu również moment resztkowy nie jest bezpośrednim pomiarem siły zacisku. Kontrola momentu jest bardzo użytecznym narzędziem kontroli procesu, ale jej wyniki powinny być interpretowane w kontekście konkretnego połączenia.
Statyczny i dynamiczny – jeszcze jedno znaczenie tych określeń
W literaturze dotyczącej samych przetworników momentu obrotowego określenia static i dynamic torque mogą oznaczać coś innego niż w kontroli połączeń śrubowych.
Przetwornik dynamiczny, nazywany również rotary torque transducer, pracuje jako element obracającego się układu napędowego i mierzy moment przenoszony przez wirujący wał. Ze względu na obrót konieczne jest rozwiązanie problemu przesyłania zasilania oraz sygnału pomiarowego – np. za pomocą pierścieni ślizgowych, transformatora obrotowego albo transmisji bezkontaktowej.
Przetwornik statyczny, czyli reaction torque transducer, pozostaje nieruchomy i mierzy moment reakcyjny przenoszony na nieruchomą konstrukcję. To klasyfikacja rodzaju przetwornika, a nie momentu, w którym wykonywana jest kontrola połączenia.
| Dlatego nie należy automatycznie utożsamiać: „pomiaru dynamicznego dokręcania” z „dynamicznym/obrotowym przetwornikiem momentu” ani „pomiaru statycznego gotowego połączenia” ze „statycznym/reakcyjnym przetwornikiem momentu”. |
Przykładowo tester wkrętarek może wykorzystywać nieruchomy przetwornik momentu reakcyjnego, a mimo to rejestrować dynamiczny przebieg momentu podczas całego cyklu dokręcania.
Kiedy stosuje się pomiar dynamiczny?
Pomiar dynamiczny jest właściwym rozwiązaniem przede wszystkim wtedy, gdy chcemy ocenić samo narzędzie i przebieg procesu dokręcania. Pomiar dynamiczny wykorzystuje się przede wszystkim do:
- regulacji wkrętarek,
- kontroli momentu wyłączenia sprzęgła,
- okresowych przeglądów narzędzi,
- odbiorów nowych urządzeń,
- analizy powtarzalności procesu.
To właśnie ta metoda pozwala sprawdzić, czy narzędzie rzeczywiście osiąga wymagany moment podczas pracy.
Pozwala odpowiedzieć na pytanie:
„Co wydarzyło się podczas dokręcania?”
Kiedy wykorzystuje się pomiar statyczny?
Kontrola wykonywana po zakończeniu dokręcania służy przede wszystkim do oceny gotowego połączenia. Moment statyczny znajduje zastosowanie przede wszystkim podczas:
- kontroli gotowych wyrobów,
- badań laboratoryjnych,
- analiz trwałości połączeń,
- oceny wpływu czasu na połączenie śrubowe,
- analiz reklamacyjnych.
Nie zastępuje jednak pomiaru dynamicznego podczas regulacji narzędzi. Odpowiada raczej na pytanie:
„Jaki jest stan połączenia po zakończeniu montażu?”
Te dwa pytania nie są równoważne
Dlaczego warunki pomiaru mają tak duże znaczenie?
Na wynik pomiaru wpływa wiele czynników. Między innymi:
- prędkość obrotowa wkrętarki,
- twardość połączenia,
- rodzaj testera momentu,
- ustawienie symulatora połączenia,
- rodzaj śruby,
- stan bitu,
- temperatura elementów,
- liczba wykonanych wcześniej cykli.
Dlatego dwa pomiary wykonane różnymi metodami mogą dawać różne wyniki, mimo że wkrętarka pracuje prawidłowo. Wiarygodne porównanie wyników wymaga jasno określonej i powtarzalnej procedury.
Wyobraźmy sobie, że wkrętarka została ustawiona na moment 2,0 Nm.
Podczas kontroli dynamicznej uzyskujemy wyniki bardzo bliskie wartości zadanej.
Po zmontowaniu produktu i sprawdzeniu momentu potrzebnego do ponownego poruszenia śruby otrzymujemy wartość wyższą lub niższą – zależnie od rodzaju połączenia i materiałów.
Nie oznacza to, że wkrętarka dokręciła śrubę nieprawidłowo.
Oznacza jedynie, że wykonano dwa różne pomiary opisujące dwa różne etapy życia połączenia śrubowego.
Techsystem pomaga dobrać właściwą metodę pomiaru
W praktyce często spotykamy się z sytuacją, w której problemem nie jest sama wkrętarka, lecz błędna interpretacja wyników.
Dlatego w Techsystem pomagamy klientom:
- dobrać odpowiedni tester momentu,
- właściwie skonfigurować symulator połączenia,
- interpretować wyniki pomiarów,
- szkolić personel odpowiedzialny za kontrolę jakości,
- opracować procedury zgodne z wymaganiami produkcji.
Dzięki temu pomiary stają się wiarygodnym narzędziem oceny procesu, a nie źródłem niepotrzebnych wątpliwości.
Dynamiczny czy statyczny – który pomiar jest lepszy?
Moment dynamiczny i moment statyczny nie są tym samym parametrem. Opisują dwa różne zjawiska zachodzące na różnych etapach procesu montażowego. Dlatego ich bezpośrednie porównywanie bardzo często prowadzi do błędnych wniosków dotyczących jakości narzędzia lub procesu. W Techsystem uczymy klientów nie tylko, jak mierzyć moment dokręcania, ale przede wszystkim jak właściwie interpretować uzyskane wyniki. Bo tylko poprawnie wykonany i zrozumiany pomiar pozwala budować stabilny, powtarzalny i niezawodny proces montażowy.
Technologia dostarcza liczby.
Doświadczenie pozwala je właściwie zrozumieć.
Sprawdź ofertę w katalogu!! Przejrzyj katalog, aby zapoznać się z naszą ofertą.
