L’integrità di un giunto filettato, che il carico da sostenere sia di taglio o di trazione, è mantenuta dal precarico applicato alla vite. Una giunzione ottimale richiede un precarico il più elevato possibile. Tuttavia, in fase di progettazione della giunzione bullonata occorre considerare tutte le possibili condizioni di esercizio che, oltre alla condizione nominale, includono eventuali sovraccarichi statici e carichi dinamici. Nasce così la necessità di controllare accuratamente che il precarico imposto sia il più vicino possibile al valore specificato in fase di progettazione, tipicamente minore del massimo applicabile.
In molti casi la condizione di rottura di un giunto bullonato si verifica come conseguenza di un precarico iniziale errato o per via della perdita di precarico dovuta ad allentamento o rilassamento del giunto.
Negli istanti successivi al serraggio il giunto è interessato da diversi meccanismi che causano l’allentamento della giunzione. A titolo di esempio si può citare il fenomeno di embedding, dovuto alle micro-asperità delle superfici a contatto che nella fase relativamente veloce del serraggio plasticizzano comportando un incremento fittizio di precarico che scompare successivamente per via di meccanismi di distensione delle zone plasticizzate. Perdite di precarico si possono registrare durante l’intera vita utile del giunto per ragioni legate alle condizioni operative. In questa categoria rientrano gli effetti dell’applicazione di carichi dinamici e delle variazioni di temperatura di esercizio. Il progettista è quindi chiamato a considerare e stimare gli effetti di tali meccanismi così da individuare il corretto valore di precarico. L’operazione non è affatto semplice per questo molto spesso il precarico di progetto viene stimato nel modo più semplice possibile e corretto, se necessario, successivamente.
Il problema fondamentale, tuttavia, rimane quello di assemblare il giunto ottenendo con precisione il valore desiderato di precarico. Esistono numerosi metodi per controllare e avvicinarsi al valore esatto durante la fase di assemblaggio. Questi, pur essendo suscettibili di analisi teoriche, richiedono spesso il supporto di studi sperimentali. La ragione è che, sebbene apparentemente semplice, la giunzione filettata è un argomento assai complesso.
La discrepanza tra l’analisi teorica ed i risultati reali risiede principalmente nella determinazione dei parametri di interesse quali:
• l’effettiva rigidezza e resistenza meccanica delle parti, dipendente sia dalle quantità geometriche, inclusi gli eventuali errori geometrici di produzione, sia dalle proprietà intrinseche dei materiali che come noto soffrono di una certa distribuzione statistica, come ad esempio il modulo elastico ed il carico di snervamento;
• il valore effettivo dei coefficienti d’attrito, distinti tra i fenomeni di attrito sulla filettatura e “sotto testa”, anche questi dipendenti da svariate circostanze fisiche e difficilmente determinabili se non per via sperimentale.
Coppia di serraggio
A prescindere dal metodo di controllo dell’avvitatura, il meccanismo di generazione del precarico si basa sulla rotazione relativa, imposta per mezzo di una coppia, del gambo della vite rispetto alla madrevite o del dado. Di conseguenza, è lecito attendersi una relazione lineare tra coppia di serraggio e precarico che dipenda dalla geometria della filettatura e dagli attriti presenti nel contatto tra i filetti e nella zona sotto il dado in cui si ha lo strisciamento contro la parte da serrare.
Durante il serraggio di un bullone i fenomeni di attrito hanno un’importanza cruciale basti considerare il fatto che tipicamente la coppia esercitata sul dado si distribuisce tra i seguenti fenomeni:
• 10% generazione del precarico;
• 30% attrito sulla filettatura;
• 50% attrito sotto-testa;
• 10% eventuale sistema anti-svitatura.
In Figura 1 si può vedere, invece, una stima della ripartizione dell’energia fornita al giunto durante il serraggio, che in totale coincide con l’area sottesa al grafico coppia-angolo, tra i fenomeni di perdita per attrito e di conversione in energia potenziale elastica.
