Print

Provningsmetoder - lång


Kort version 

1 Inledning

Detta kapitel ger:

  • Generella kommentarer om typ av prov och val av provningsnivå.
  • Några exempel på vanliga provmetoder för att mäta klämkraft.

Provning av skruvförband kan generellt delas in i:

  • Monteringsprovning – för att ta fram monteringsparametrar och kontrollera monteringsegenskaper. Nyckelegenskaper är klämkraft och processtabilitet.
  • Funktionsprovning – för att säkerställa funktionen hos monterade förband.
    Nyckelegenskap är tillförlitlighet mot haveri.

Provningarna kan utföras på olika nivåer:

  1. Provning på enskild komponent.
  2. Montering/provning av modellförband.
  3. Montering/riggprovning av sammanfogade komponenter.
  4. Montering i fabrik/provning av hela applikationen (Fältprov).

Exempel på ovanstående återfinns i Tabell 1.

Även simulering kan användas, både för framtagning av monteringsparametrar och för funktionsegenskaper. Med allt bättre simuleringsverktyg och bättre data på friktions- och sättningsegenskaper kommer simulering att i allt högre grad ersätta traditionell provning. Simulering behandlas dock inte vidare i detta kapitel.

Monteringsprov
Klämkraft och processstabilitet
Funktionsprov
Tillförlitlighet mot haveri                      
Nivå 1
Enskilda komponenter
- Drag- eller tryckprov samt  hårdhetsmätningar utförs för att kontrollera komponenters hållfasthet.

Nivå 2
Modellfärband

Klämkraftgivare eller speciella skruvriggar används för att mäta klämkraft som funktion av monteringsmoment. Riggprov på modellförband urförs i provriggar med dynamisk belastning.
Nivå 3
Sammanfogade komponenter


Produktionslik monteringsutrustning. Momentet registreras och klämkraften uppskattas t ex med ultraljud eller mha mekanisk mätning av skruvförlängning.

Större skakriggar och testriggar används (t ex växellåds- och motorriggar). Utvärdering sker ofta mha mätningar av restmoment.
Nivå 4
Komplett applikation




Montering sker i fabrik och utvärderas map åtkomlighet, äntring, ergonomi, moment- och utrustningsbehov, plats på monteringslinan mm. För sträckgränsdragna förband studeras ofta moment/ vinkelkurvor. Hela fordon eller motorer provas för att se att förbanden håller. skruvpositionen märks ut med färgpenna för att se om de rör sig. Utvärdering sker ofta mha mätningar av restmoment.

Tabell 1. Exempel på provmetoder.
 
2 Val av provnivå

Val av provnivå är inte enkelt då det alltid innebär en kompromiss. Den antagna fördelen med att prova på en hög nivå är ju att få svar på om förbandet verkligen fungerar som det är tänkt i den givna applikationen. Emellertid är provning på en högre nivå ofta betydligt dyrare och mer tidskrävande – vilket innebär att färre förband kan provas och osäkerheten om funktionen kan kvarstå. Vid provning av enkla modellförband kan ofta många prover utföras till en rimlig kostnad, men det blir svårare att vara säker på att provresultaten direkt kan användas på hela applikationen. Vid provning av modellförband kan det ibland löna sig att sprida ut provparametrarna något och därigenom få en bättre bild av trender om något, t.ex. klämkraften eller belastningen, ändras mer än vad som normalt förväntas.

Kontrollera gärna om ett liknande förband som det du tänkt prova redan används och om slutsatser kan dras därifrån vad gäller monteringsmoment och provlaster. Det kan även vara bra att ta med något känt förband som referens i provningen för att kunna avgöra om en ändring medför en märkbar förbättring/försämring.

Provningen på respektive nivå kan göras mer eller mindre utförlig. Antalet varianter blir till slut närmast oändligt många och kan inte alla beskrivas här. Några exempel på monteringsprovning och funktionsprovning ges dock i styckena nedan.

Exempel på monteringsprovning

Nivå 1 – Monteringsprov på enskilda komponenter
Denna nivå faller i princip bort då monteringsegenskaperna för ett förband inte beror av en enskild komponent (t.ex. enbart skruven, enbart packningen eller enbart godsgängan) utan alltid är en systemegenskap.

Nivå 2 – Monteringsprov på modellförband
Provningen utförs vanligtvis på laboratorium och provbitarna anpassas till befintlig testutrustning.

Ett typexempel är när man vill verifiera monteringsfriktionen för en viss ytbehandling på skruvarna i förband vars komponenter kan ha olika ytor, t.ex. mot lackerat underlag, mot aluminium eller stål. Provningen utförs i en speciell testrigg (det finns kommersiellt tillgängliga provriggar för detta ändamål). Enkla provbitar används som underlag under skruvskallen och skruven monteras i antingen mutter (med önskad ytbehandling) eller i en godsgänga bearbetad på önskat sätt i önskat material. Då provbitarna kan tillverkas relativt enkelt (t.ex. långa linjaler med hål) så kan många skruvar provas till en rimlig kostnad och spridningen i monteringsfriktion mellan olika material- och ytbehandlingskombinationer kan undersökas, se Figur 1 och Figur 2.

 

Figur 1. Provmaterial för monteringsprovning av modellförband. Åtdragning på skruv.
Vänster: M14 standardprov mot obehandlad stål och i obehandlad (stål)mutter.
Mitten: M8 provad mot ED-lackerad stålremsa i ED-lackerad svetsmutter.
Höger: M12 provad mot aluminiumunderlag och i aluminiumgodsgänga.

 
Figur 2. Kraft-momentkurvor från monteringsprov. Vanligtvis är det momentet som avläses vid en given kraftnivå (Enligt ISO 16047 avläses momentet, om inget annat anges, vid 75% av skruvens proof load enl. ISO 898-1).

Moment och klämkraft mäts kontinuerligt och kraftutbytet/friktionen kan därmed följas under hela åtdragningen. Ofta kan dessa utrustningar även särskilja på gäng- och underlagsmoment vilket ytterligare bidrar till kunskapen om monteringsegenskaperna.

För mer om friktionsberäkningar, se kapitlet om Monteringsfriktion.

Inverkan av t.ex. monteringshastighet och upprepad montering kan också enkelt undersökas. Det är snarare regel än undantag att kraftutbytet i ett förband varierar med monteringshastigheten och även varierar med upprepad montering.
Ett annat exempel är där man designar modellförbandet för åtkomst av skruvens båda sidor för att på så sätt mekaniskt kunna mäta skruvförlängning, se Figur 3.
Man kan beräkna klämkraften under förutsättning att styvheten för skruvstammen är känd, genom mätning eller beräkning, se kapitel Fjäderkonstanter. Åtdragningen görs med någon utrustning där momentet registreras eller som ger ett känt moment.


   
Figur 3. Uppskattning av klämkraft mha mekanisk mätning av skruvförlängning.

Noggrannheten i klämkraft/friktion med denna metod blir inte lika hög som i en speciell testrigg pga osäkerheten i skruvstyvhet, men man kan utvärdera inverkan av olika parametrar med relativt enkel utrustning.

Den här provmetoden kan också utnyttjas för att kvalitativt studera sättningsegenskaper i olika packningskoncept då den mekaniska längdmätningen kan utföras med stor noggrannhet om körnslagna skruvar används, se Figur 3.

Det bör dock nämnas att packningar ofta ingår i flerskruvförband där monteringsordning, yttre belastningar och temperaturväxlingar kan orsaka en situation med läckage trots att sättningen i packningen är låg (och packningen i övrigt är fri från defekter).
 
Nivå 3- Monteringsprov på hela komponenter
Det här är ett vanligt sätt att utvärdera kraftutbytet i ett särskilt förband. Provningen utförs oftast på laboratorium för att inte störa i produktion. Monteringen sker på riktiga komponenter men med så produktionslik utrustning/monteringsstrategi som möjligt. Om det är möjligt att prova direkt i produktion är givetvis detta en fördel.
Den enklaste formen av monteringsprovning på komponentnivå är att dra ett antal förband till brott m.h.a. en elektrisk skruvdragare som registrerar moment-vinkelkurvor. Om förbandet skall momentmonteras brukar, lite beroende på kurvornas utseende, ett lämpligt monteringsmoment ligga på ca 65 - 70% av det genomsnittliga brottmomentet, se Figur 4.
Notera att man inte mäter själva klämkraften (den beror ju av monteringsfriktionen, se kapitel Monteringsfriktion) men den här typen av provning kan ändå ge en hel del information om man vet lite mer om förbandet, se Figur 10.

 
Figur 4. Montering till brott för att ansätta lämpligt monteringsmoment.

Observera att många företag använder s.k. standardmoment för sina monteringsmoment, dvs. varje skruvdimension monteras med ett visst bestämt moment. Om möjligt bör då monteringsmomentet väljas som ett standardmoment. (T.ex. använder Volvo Lastvagnar 24 Nm resp. 48 Nm för M8 resp. M10 skruv i klass 8.8 medan Volvo Personvagnar använder 25 Nm resp. 50 Nm för samma dimensioner). Standardmoment kan bara användas om man känner till förbandens monteringsfriktion – de är alltså ej generellt tillämpbara på andra fästelement med andra ytbehandlingar.
Om man faktiskt vill veta klämkrafterna är oftast det enklaste sättet att montera in en klämkraftgivare direkt i förbandet, se Figur 5. Ofta behövs då en längre skruv än normalt, men om skruven har samma ytbehandling som den riktiga skruven kan man ändå utföra friktions/kraftutbytesmätningen med tillfredställande noggrannhet. Åtdragningen görs med någon utrustning där momentet registreras, eller som ger ett känt moment.


 
Figur 5. Klämkraftgivare monterad direkt i förbandet. Åtdragning sker normalt på skruvskallen och i det här fallet användes en digital momentnyckel.

Notera att en extra lång skruv används för att få plats med klämkraftgivaren. Skruven har ”normal ytbehandling” och i och med att åtdragning sker på skallen fås också rörelsen i de normala kontaktytorna och kraftutbytet blir det samma som för en kortare skruv. Åtdragningsvinkeln ökar dock med längre skruv p.g.a. lägre styvhet i förbandet.

Allmänt gäller att utrustning som kontinuerligt mäter moment som funktion av åtdragningsvinkel är mycket användbar för att studera monteringsegenskaperna.

Moment-vinkelkurvor ger mycket information om förbandets allmänna monteringsegenskaper. Stora spridningar i maxmoment (brottmoment) tyder på stora spridningar i monteringsfriktion. Stora spridningar i det moment som behövs för att ”ta bort luft ur förbandet” kan tyda på geometrifel, som t.ex. att komponenterna inte är plana, se Figur 6.

För flerskruvförband kan monteringsordningen vara betydelsefull och man måste kanske överväga en montering i flera steg för att få jämna klämkrafter.

 

Figur 6. Moment+vinkelkurvor för ett ”besvärligt” respektive ”snällt” förband.

Om förbandet skall monteras till sträckgräns (Se även kapitlet Monteringsmetoder) så används moment-vinkelkurvorna som utgångspunkt för val av förmoment + slutvinkel, se Figur 7. Ytterligare några prov där även skruvförlängning kontrolleras brukar även behövas, se Figur 8.

Arbetsgång:

  1. Dra några skruvar till brott.
  2. Ansätt ett förmoment och en vinkel, se Figur 7.
  3. Mät ursprungslängd på ett antal skruvar och montera med
    förmomentet + några vinklar nära den ansatta vinkeln.
  4. Mät permanent skruvförlängning för några olika åtdragningsvinklar, se Figur 8.
  5. Välj lämplig kombination av moment och vinkel.
  6. Verifiera valda parametrar i produktion.

 
Figur 7. Moment+vinkelkurvor för ansats av sträckgränsmontering mha ett förmoment plus en vinkel. Även lämpliga övervakningsvärden för slutmomentet kan ansättas från moment-vinkelkurvorna.

 
Figur 8. Permanent skruvförlängning uppmätt på skruvar dragna med ett bestämt förmoment + några olika vinklar. OBS! den permanenta förlängningen mäts på lossade skruvar.

Normalt så försöker man få en permanent skruvförlängning som motsvarar ca 0,2 % av klämlängden (se även kapitlet Monteringsmetoder). Vanligtvis rör sig detta om ca 0,1-0,3 mm permanent skruvförlängning.

OBS 1!
Mätningar för att fram moment+vinkelparametrar för sträckgränsdragna förband måste utföras på riktiga komponenter för att ha rätt förbandsstyvhet. Enklare modellförband och provriggar har oftast inte rätt styvhet.

OBS 2!
För att underlätta vinkeldragningen vid service bör vinklarna väljas så att de enkelt kan utföras även med enklare handverktyg. Detta innebär att vinklarna 45°, 60°, 90°, 120° och 180° bör prioriteras. Det här innebär också att förmomentet kan behöva justeras för att en lämplig vinkel skall kunna användas. Notera att olika företag kan ha lite olika strategier för val av förmoment och slutvinklar – kontrollera vad som gäller på ditt företag!

Sträckgränsmontering kan även användas för att uppskatta kraftutbyte/monteringsfriktion i ett förband där det inte är möjligt att mäta klämkraft på andra sätt. Om man känner till skruvens sträckgräns och gängfriktion kan man utgå från en monteringskurva förbi sträckgräns och sedan beräkna klämkraften vid sträckgränsen, se Figur 9 och Figur 10.

 
Figur 9. Reduktion av axiell kraft vid montering jämfört med dragprov.

Klämkraften vid sträckgräns kan uppskattas m.h.a. nedanstående ekvation:


 
Det vi behöver veta är sträckgräns och gängfriktion. Ju bättre vi känner dessa värden desto bättre blir uppskattningen.

Exempel för en M14 skruv av klass 8.8. Se även Figur 10.

Fu = 92 kN (nominellt värde för 8.8)
→ Nominell sträckgräns, Fy = 0,80 x 92 kN = 73,6 kN
P = 2 mm
dAs = 12,1 mm
d2 = 12,7 mm
µth ≈ 0,15

→ Formeln ovan ger en nominell klämkraft vid sträckgräns på ≈ 61,5 kN
Med sträckgränsmomentet 190Nm fås ett nominellt kraftutbyte på 0,32 kN/Nm

Här bör nämnas att skruvar normalt har en genomsnittlig hållfasthet som ligger
10-15 % över det nominella kravet. Detta för att ha en viss marginal för variationer i dimension, material och värmebehandling som resulterar i en spridning i hållfasthet.
I praktiken innebär det att den extra vridspänningen p.g.a. gängfriktionen delvis kompenseras med överstark skruv. För en gängfriktion runt 0,10-0,15 får vi alltså ungefär samma klämkraft i skruven vid sträckgräns som sträckgränsen vid ett rent dragprov på en skruv med nominell styrka. I ovanstående exempel får vi en klämkraft på ca 73 kN.

Det här kan vara bra att veta för överslagsberäkningar men observera att man
alltid dimensionerar mot nominell hållfasthet.

 
Figur 10. Kraftutbyte för en M14-skruv (8.8) uppskattat ur en moment-vinkelkurva.

Om man vill mäta klämkraften, men inte kan få in en klämkraftgivare och inte har åtkomst till båda ändar av skruven för mekanisk mätning, kan man använda sig av ultraljud. Denna metod kräver endast åtkomst av en sida av skruven och baseras på att skruvlängden uppskattas genom att mäta tiden det tar för ultraljudspulsen att röra sig fram och tillbaka genom skruven, se Figur 11.

Ultraljudsmetoden kan vara mycket användbar och det finns flera tekniker att tillgå. Gemensamt för samtliga är att det krävs skruvar med planparallella ytor på skalle och skruvspets. Metoden beskrivs utförligare i kapitlen "Introduktion till ultraljud", ”Ultraljud i laboratoriet” och ”Ultraljud i produktionen”.


 
Figur 11. Princip för ultraljudsmätning. Längden på skruven uppskattas mha av den tid det tar för ultraljudspulsen att gå fram och tillbaka.

För att kunna översätta skruvens töjning till klämkraft måste men känna till skruvstammens styvhet. Denna kan antingen beräknas (se kapitel Fjäderkonstanter) eller mätas i en dragprovrigg. I det senare fallet monteras skruven så att den får samma klämlängd som i det riktiga förbandet. Godsgängan bör av styvhetsskäl också vara i samma material som i det riktiga förbandet. Därefter drar man i skruven och noterar förlängningen mätt med ultraljud som funktion av pålagd kraft. Fördelen med kraftkalibreringsmetoden är att den eliminerar relativa fel i ultraljudsmätningen, dvs. om den uppmätta förlängningen inte är rätt i absoluta värden.


Nivå 4 – Monteringsprov i fabrik
Monteringsprov i fabrik görs i huvudsak för att säkerställa själva processen, mindre ofta för att mäta klämkrafter. Saker som utvärderas är bl.a. lämplig monteringsstation, val av monteringsutrustning/kapabilitet, åtkomst, passform, äntringsegenskaper, monteringsordning i flerskruvförband, att inga delar skadas, ergonomi, etc. Vid momentmontering kontrolleras momentspridning och om några gängor eller skruvar skadas.

Vid sträckgränsmontering (oftast mha moment-vinkeldragning) utvärderas skruvförlängning och slutmoment. Övervakningsvärden för moment- och vinklar behöver fastställas för att ge en balans mellan förbandskvalitet och monteringsstabilitet, dvs att processen skall fånga upp felaktigt monterade förband men inte drabbas av för många avbrott pga att toleransgränsen under- eller överskrids även för bra monterade förband.

Även andra parametrar som kan påverka monteringen utvärderas som t ex förekomst av spånor från tidigare bearbetning, smuts eller rester av skärvätskor/olja som påverkar friktionen mm. Också metoder för senare kontroller (sk audit) behöver fastställas. Då det oftast rör sig om någon form av momentkontroll behöver lämpliga restmomentvärden bestämmas, se kapitel Momentkontrollmetoder.

Om klämkraften behöver kontrolleras används oftast ultraljudsmetoder då dessa bara kräver ensidig åtkomst av skruven. Ultraljudsmetoderna behöver vanligtvis planbearbetad skruv, vilken betyder att skruven måste bytas ut mot en normal skruv efter prov. Det finns dock skruv som är specialanpassad för ultraljudsmätning redan från tillverkaren och dessa kan då sitta kvar i förbandet.

3 Exempel på funktionsprovning

Nivå 1 – Funktionsprov på enskilda komponenter
Ex.1. Dragprovning av skruv för att kontrollera att den uppfyller hållfasthetskraven.
Ex.2. Utdragsprov med olika gängingrepp för att säkerställa hållfasthet i godsgänga.
Ex.3. Hårdhetsprovning på underlag för att uppskatta om det klarar hålplantrycket.
Ex.4. Magnet för att avgöra om rostfri/värmetålig skruv verkligen används i applikationen då dessa skruvar har helaustenitisk struktur - vilken är icke magnetisk.

Nivå 2 – Funktionsprovning på modellförband
Enkla modellförband har både fördelar och nackdelar.
Till de största fördelarna är att de kan anpassas till befintlig provutrustning (olika typer av dragprovnings- och utmattningsriggar) och att lastnivåer kan kontrolleras med hög noggrannhet. Detta innebär att flera prover kan utföras till rimlig kostnad och att mindre skillnader också kan upplösas. Framförallt vid jämförande provning kan modellförband vara mycket kostnadseffektiva och det kan också vara ett sätt att få ingångsdata till simuleringar av mer komplicerade förband.
Till nackdelarna hör att belastningarna i det verkliga förbandet kan vara svåra att efterlikna i enkla riggförsök, detta gäller särskilt flerskruvförband och termiskt belastade förband. I det senare fallet finns det ofta en dynamik i uppvärmnings/avkylningsförloppet som är svår att efterlikna vid enklare provning.

En relativt välkänd, men även omdiskuterad, provmetod för att mäta uppglappningskänslighet är det sk Junkers-testet, se Figur 12.

Figur 12. Principen för ett Junkers-test för mätning av uppglappningskänslighet.

Många leverantörer av olika låsanordningar brukar hänvisa till Junkers-test för att bevisa förträffligheten med just deras produkt. Kritikerna menar att beroende på inställning av förskjutning, frekvenser, val av skruvlängd (styvhet) och underlag kan man bevisa nästan vad som helst.
Det bör dock poängteras att det är i skjuvbelastade förband som uppglappningsrisken är som störst. Junkers-testet är utformat just för detta lastfall och andra, någorlunda standardiserade provmetoder, saknas.

Nivå 3 – Funktionsprovning på komponentnivå i provriggar
Nu handlar det om bl.a. större skakriggar och motorprov. Fördelarna med prov på den här skalan är att man kan komma mycket nära den verkliga applikationen i belastning. Man kan även prova särskilt svåra belastningsfall och därigenom snabba upp provningen jämfört med fältprov. Lasterna är välkontrollerade och det är lätt att ändra belastningsnivå. Provningen sker ofta inomhus vilket medför mindre känslighet för väder mm, se Figur 13.

 

Figur 13.
 Funktionsprovning av länkarm och dess skruvförband.

Sättningsstudier (t ex med ultraljudsmätning av skruvarna) kan med fördel utföras på den här nivån, se exempel i Tabell 2 och Figur 14.

 

Tabell 2.
 Exempel på sättningsstudie (fingerade värden).
 

 

Figur 14.
 Sättningsstudie i diagramform. Notera att skruv 3 måste kompenseras för den plastiska deformation som uppstått vid åtdragning då den plastiska förlängningen inte bidrar till klämkraften.

Nackdelarna med denna typ av prov är att det är dyrare än modellförband och att det krävs att lämpliga riggar är tillgängliga. Komplexiteten hos provningen ökar och det finns fler saker som kan störa provningen, t ex att någon annan komponent går sönder eller att någon del av riggen krånglar.

Nivå 4 – Funktionsprov/verifieringsprov på hela applikationen (Fältprov)
Provning på den här nivån är det som ger svar på om det verkligen fungerar. Till nackdelarna hör att dessa prov oftast är mycket tids- och kostnadskrävande. Detta leder normalt till att endast få prov utförs och därigenom blir underlaget för ev. statistiska beräkningar ofta uselt.

Fler parametrar påverkar även förbandet och något annat som går sönder/behöver bytas/justeras kan påverka förbandet/förbanden och göra provet svårtolkat.

Typiskt märks skruvpositionerna ut med färgpenna för att se om förbanden rört på sig. Proven avslutas normalt med en restmomentmätning. Svaren på denna typ av prov är normalt av typen ja eller nej, dvs. man vet om det fungerar eller ej, men oftast inte med vilken marginal.

För mer information om hur man utför restmomentkontroller hänvisas till kapitlet Momentkontrollmetoder.

 

Uppdaterad 2020-01-02

Website administered by Jan Skogsmo, RISE IVF AB, Box 104, 431 22 Mölndal.
Tel. 010-228 46 98. E-mail jan.skogsmo@ri.se