Print

Ultraljud i laboratoriet - lång


Kort version

1. Allmänt

Det finns flera tekniker att mäta klämkraft i skruvförband. Ultraljud är oftast att föredra eftersom:

  • Noggrannheten är hög – omkring +/- 3%
  • Förbandets egenskaper påverkas i mycket ringa grad
  • Mätningar kan utföras i realtid, dvs under åtdragningen och fortsatt någon tid

Figur 1. Principen för ultraljudsmätning på skruv (Intellifast TM).

Tekniken, i sin enklaste form, bygger på att en elektrisk puls skickas ut till en piezoelektrisk givare som omvandlar den elektriska signalen till en mekanisk våg som kopplas akustiskt till skruven. Den mekaniska vågen fortplantas längs skruven, reflekteras i skruvänden och omvandlas åter till en elektrisk signal när den når skallen. Löptiden, Time of Flight, mäts och registreras. När skruven dras åt  kommer den att förlängas geometriskt och löptiden ökar. För longitudinella vågor (vilka vanligen används) tillkommer effekten att ljudhastigheten minskar med ökad axiell spänning i skruven. Denna effekt är typiskt dubbelt så stor som den geometriska effekten och naturligtvis materialberoende.

Temperatureffekterna kan också vara påtagliga, särskilt om olika material ingår i förbandet. För noggranna mätningar erfordras i allmänhet temperaturmätning och kompensation för temperaturskillnader.

2. Utrustning

Skruvens ändytor måste slipas till hög finhet och parallellitet (bättre än 0,01 mm). Alternativt kan så kallade ultrasonic skruvar användas. Dessa tillverkas med särskild utformning av skalle och ändyta så att goda akustiska egenskaper erhålles. Fördelen med dessa skruvar är att ytbehandlingen behålls intakt över hela skruven och den kan alltså lämnas kvar i fordonet efter montering med bibehållet korrosionsskydd.

 

Figur 2. Ultrasoniska skruvar (Nedschroef).

Traditionellt används en lös givare som kopplas akustiskt med glycerin. Givaren hålls i handen och flyttas på skruvytan tills tillräcklig reflekterad signal påträffas. Metoden är enkel och kräver få förberedelser. Nackdelen är sämre mätnoggrannhet - signalen passerar olika delar av skruven om den inte kan hållas stilla under åtdragningen, vilket ofta är svårt. Det är också svårt att göra mätningar under åtdragning vilket ofta är av intresse. 

 

Figur 3. Ultraljudsgivare (Panametrics).

Dessa problem undanröjs om givare kan fästas på skruvskallen. Det finns några olika metoder för detta. Intellifast™ använder en vakuumteknik (sputtering) för att skapa en piezoelektrisk givare direkt på skruvskallen. Den akustiska kopplingen är då löst och givaren kontakteras med ett fjäderstift av samma typ som används vid kretskortsprovning. Givaren får mycket goda egenskaper, men mätskruvarna kan bli kostsamma i små antal.

 

Figur 4. Sputtrad givare (Intellifast™).

En liknande, billigare teknik, används av Load Control Inc, som limmar en piezoelektrisk film på skruvskallen.

Figur 5. LCT skruv.

Den är också försedd med en 2D streckkod som refererar till kalibrerings och applikationsdata för förbandet.

En ytterligare variant som är billig och enkel i små serier, utan avkall på noggrannhet, är att limma ett chip av en piezoelektrisk keram, ca 3x3 mm på skruvskallen.
Detta kan göras på såväl slipade som ultrasoniska skruvar.

 

Figur 6. Ultrasonisk skruv med pålimmad piezokeram.

3. Mätutrustning

Ofta används mätutrustning, egentligen avsedd för tjockleksmätning eller sprickdetektering. Dessa har ofta inte tillräcklig tidsupplösning för att noggranna klämkraftsmätningar skall kunna göras annat än på förhållandevis långa skruvar. 
För mätning i skruvförband med klämlängd 10 mm och 1% upplösning av en klämkraft på 75 % av sträckgränsen krävs en tidsupplösning på ca 1 ns.

De finns dock ett antal tillverkare på marknaden som tillhandahåller mätinstrument, ägnade för ändamålet, tex  Micro Controls, Norbar, Dakota, GE Inspection Technologies. Intellifast och LCT marknadsför också mätinstrument.

De mera avancerade systemen arbetar i realtid och kan leverera data i olika filformat där klämkraften lagrats som funktion av tid eller vinkel med hög tids/vinkel upplösning. Detta är nödvändigt om klämkraftens tillväxt under åtdragningen och klämkraftförlusten efter åtdragningen skall kunna följas.

4. Kalibrering

För att kunna leverera spårbara mätresultat måste mätsystemet kalibreras. Detta görs vanligen genom att en kalibrerad lastcell används. Det är av stor vikt att förbandets karakteristika noggrant kopieras så att klämlängd och förbandsstyvhet blir desamma som i förbandet. Alternativt kan en dragprovmaskin användas, med samma hänsynstaganden. En tredje metod är att med kännedom om geometri och materialegenskaper i en FEM modell eller liknande beräkna kalibreringsfaktorn.

 

Figur 7. FEM modell av skruvförband (Swerea).

5. Metoder

Traditionellt genomförs mätningen så att skruvens ultraljudslängd mäts obelastad, skruven monteras och den nya ultraljudslängden registreras. Med hjälp av kalibreringsdata beräknas klämkraften. Detta kan upprepas efter kortare eller längre tid: direkt efter montering eller efter körning på provbana, förutsatt att temperaturkompensering utförs. Ibland kan det vara fördelaktigt att montera skruven först (t ex i den station där produkten seriemässigt tillverkas) och sedan mäta längden monterad varefter skruven lossas och den obelastade längden mäts.

I vissa lägen är det inte klämkraften i sig som är av primärt intresse, utan friktionsförhållandena. Förutom klämkraften fordras då också att åtdragningsmomentet alternativt vidaredragningsmomentet registreras. Utvärderingen görs ofta genom plottning i Moment–Klämkraftdiagram där övre och undre gränser för friktionen lagts in, tillsammans med dito för moment och klämkraft.

 

Figur 8. Moment-klämkraftdiagram. 

För mer avancerad utvärdering utnyttjas med fördel moment-klämkraftdata som funktion av vinkel och tid i kombination med ett simuleringsprogram som simulerar åtdragningsmetod och verktygsegenskaper. Om teståtdragningarna tillåts gå långt in i det plastiska området kan dessa återanvändas för ett obegränsat antal simuleringar och metoden blir således mycket kostnadseffektiv. Dock måste observeras att ultraljudsdata i det plastiska området måste korrigeras eftersom relationen ultraljudslängd–klämkraft inte längre är konstant där. 

I nedanstående försök har 22 verkliga åtdragningar på ett förband gjorts in i det plastiska området (gröna kurvor). I den första simuleringen ansätts åtdragning till ett moment = 225 Nm. De röda kurvorna visar vilken del av de registrerade kurvorna som utnyttjas.

 

Figur 9.  Momentstyrd montering in i plastiskt område. 

Den resulterande klämkraften blir 93,4 kN +/- 34,8%  (3sigma).

En ansats med sträckgränsstyrd åtdragning, så kallad gradientstyrning kan provas.

 

Figur 10. Gradientstyrd montering in i plastiskt område. 

Klämkraften blir nu 128 kN +/- 21,7 %.

Detta är som synes ett mycket effektivt och resurssnålt sätt att använda sina mät- och laboratorieresurser.


 

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