Serrare una vite alla coppia giusta: perché il numero sulla chiave è un'approssimazione

Dove finisce davvero la coppia

Immagina la vite come una molla che stiri con un martinetto a vite. I filetti sono il martinetto; girandoli tiri la testa contro il giunto e metti la vite in trazione. Quella trazione è il precarico, ed è tutto il punto: è ciò che impedisce ai pezzi di scorrere, che impedisce al giunto di aprirsi sotto carico e — contro l'intuito — che impedisce alla vite di andare a fatica, perché una vite ben precaricata vede quasi nulla del carico ciclico applicato al giunto.

Il guaio è che la chiave non vede nulla di tutto questo. Legge la reazione al manico, e quella reazione è la somma di tre cose: il lavoro utile di salire l'elica del filetto, l'attrito tra i fianchi del filetto, e l'attrito tra la faccia inferiore della testa o del dado e la superficie su cui gira. Solo il primo allunga la vite. A seconda delle superfici, gli altri due valgono insieme dai quattro quinti ai nove decimi di tutto ciò che tiri. Passa un velo d'olio sui filetti e non hai cambiato né la vite, né il giunto, né la chiave: hai cambiato il tasso di cambio fra il numero sul quadrante e la forza nella vite.

Tutto questo groviglio è raccolto in un solo numero, il coefficiente K, e la relazione è volutamente rozza: T = K · F · d, con F il precarico e d il diametro nominale. K non è un coefficiente di attrito e non si ricava da uno. È un fattore empirico globale che ingloba insieme l'attrito sotto testa, quello dei filetti e la geometria dell'elica, e l'unico modo onesto di ottenerlo è serrare un campione del giunto reale su una cella di carico e misurarlo. Le tabelle pubblicate danno intervalli, non valori. Il calcolatore porta undici valori intermedi — a secco 0,20, olio leggero 0,15, bisolfuro di molibdeno 0,10, cera o PTFE 0,12, antigrippante 0,13, cadmiato 0,16, ossido nero 0,18, inox lubrificato 0,19, zincato 0,20, zincato a caldo 0,25, inox su inox a secco 0,30 — e ti lascia inserire il tuo se lo hai misurato.

Cosa calcola lo strumento, passo per passo

Lavora in avanti, dalla vite alla chiave, mai al contrario. Prima l'area resistente, che non è né l'area del diametro nominale né quella di fondo filetto, ma una media convenzionale delle due: in metrica a passo grosso, As = (π/4)(d − 0,9382 · P)², dove P è il passo. Per una M10 con passo 1,5 mm dà 57,99 mm², e per una M20 a 2,5 mm dà 244,8 mm² — entrambe riproducono le tabelle della ISO 898-1. Le filettature unificate in pollici usano la formula parallela As = 0,7854 · (D − 0,9743/n)², che restituisce 0,1419 in² per una 1/2-13 UNC, di nuovo il valore pubblicato.

Poi la tensione di prova, che viene dalla classe di resistenza e, per due di esse, anche dal diametro. La classe 8.8 vale 580 MPa fino a 16 mm compresi e 600 MPa oltre; la 10.9 vale 830 MPa; la 12.9, 970 MPa; l'inox A4-80 è dato sul suo carico di snervamento allo 0,2 % di 600 MPa, perché l'inox austenitico non ha un carico di prova nello stesso senso. Moltiplica la tensione di prova per l'area resistente e ottieni il carico di prova — il carico che la vite è garantita sopportare senza deformazione permanente misurabile, circa il 90 % del suo snervamento. M10 classe 8.8: 580 × 57,99 = 33 634 N, ossia 33,63 kN.

Il terzo passo è tuo: quale frazione del carico di prova vuoi nella vite? Il campo parte da 75 %, la cifra corrente per un giunto che conti di riaprire; su quelli permanenti si sale all'85-90 %. Questo dà F = 25,23 kN. L'ultimo passo è quello rozzo: T = K · F · d = 0,15 × 25 225 N × 0,010 m = 37,84 N·m. Tutto ciò che precede quella riga è lavoro normativo con numeri pubblicati alle spalle. L'ultima riga è una stima con davanti un coefficiente misurato, ed è lì che vive tutta l'incertezza.

Leggi la tabella al contrario: una coppia, sette serraggi diversi

Lo strumento stampa una coppia per ogni stato di lubrificazione, che è il verso utile quando sai in che stato è la tua vite. Il verso inquietante è l'altro. Blocca la coppia sul valore oliato di 37,84 N·m — il tipo di numero che si annota su un pezzo di nastro e si riusa — e chiediti quale precarico riceve davvero ciascuna superficie. La risposta è nella tabella qui sotto, e copre un fattore tre: 12,61 kN su inox a secco, 18,92 kN a secco o zincato, 25,23 kN come previsto, 37,84 kN con grasso al molibdeno.

Due righe meritano un dito puntato. Lo zincato a caldo, K = 0,25, riceve 15,14 kN — il 45 % del carico di prova, un giunto appena serrato che finirà per allentarsi. E il grasso al bisolfuro di molibdeno, K = 0,10, riceve 37,84 kN, cioè il 112,5 % del carico di prova: la vite è stata tirata oltre ciò che è certificata sopportare senza allungamento permanente. È tutto qui l'argomento per leggere lo stato di lubrificazione di una prescrizione come parte della prescrizione e non come una nota a piè di pagina. La coppia giusta per una vite a secco è circa il doppio di quella per una vite ingrassata, e applicare il numero del secco a una vite ingrassata è il modo più sicuro di rovinarla.

«Ancora un po'»: così una vite viene tirata oltre lo snervamento

Il 75 % predefinito esiste perché serve margine. Il carico di prova vale circa il 90 % dello snervamento, quindi serrare al 75 % della prova mette la vite a circa il 67 % del suo snervamento — l'esempio M10 si assesta a 435 MPa in una vite la cui resistenza a trazione è 800 MPa. Quello scarto non è gioco. Assorbe la dispersione di K, la tensione aggiunta dal carico esterno, il fatto che una chiave dinamometrica è essa stessa precisa solo a qualche punto percentuale, e il taglio torsionale che il serraggio aggiunge sopra la trazione e che il valore di tensione dello strumento non comprende.

Il calcolatore non ti impedirà di spendere quel margine. La percentuale di precarico è un campo libero, senza tetto e senza avviso. Digita 500 e restituisce 252,3 N·m e una tensione di 2 900 MPa nella vite, contro una resistenza a trazione di 800 MPa — una cifra che descrive una vite già rotta, stampata nello stesso carattere di ogni altro risultato. Vale la pena saperlo prima di fidarsi di un numero che ti porge: lo strumento fa aritmetica, e farà l'aritmetica di un giunto rotto con la stessa allegria di uno sano. Oltre il 100 % non è più un giunto, è un referto di rottura.

In pratica le rotture arrivano di rado dal digitare 500. Arrivano dalla seconda passata. Una chiave che ha fatto clic, poi un dubbio, poi un altro tentativo — e la seconda passata non riparte da zero, si somma. Arrivano da una coppia ricordata da un'altra vite dello stesso diametro ma di classe diversa, dato che una M10 in 10.9 chiede 830 MPa dove la 8.8 ne chiede 580. E arrivano da un giunto che si assesta: vernice, una guarnizione morbida, una bava sotto testa, tutte cose che lasciano rilassare la vite dopo il serraggio — ecco perché esiste una passata di ripresa, ed ecco perché va fatta alla stessa coppia, non a una più alta.

Quando la coppia non basta più

Se una chiave dinamometrica consegna il precarico entro circa ±25-35 %, allora ogni giunto in cui il precarico conta davvero richiede un altro metodo. Il gradino più economico è il serraggio angolare, e l'hai già incontrato senza saperlo: una prescrizione del tipo «30 N·m più 90 gradi» non chiede due cose, ne chiede una. La fase a coppia esiste solo per accostare il giunto e recuperare i giochi — è la condizione di «accostato» — e da lì è l'angolo a fissare l'allungamento, perché ruotare il dado di una frazione nota di giro lo avanza di una frazione nota del passo, e quell'avanzamento è allungamento. L'attrito nella seconda fase non ha quasi più voce in capitolo.

Sopra ci sono i metodi che misurano la cosa stessa. L'allungamento della vite, letto con un micrometro su una lunghezza di riferimento nota o con un apparecchio a ultrasuoni che cronometra un'eco lungo il gambo, è la misura diretta: leggi l'allungamento invece di dedurlo. Le rondelle indicatrici di carico schiacciano una serie di bugne a un carico noto. I tenditori idraulici aggirano il problema del tutto: tirano la vite in trazione pura e il dado viene solo accostato a una vite già allungata, così non si introduce alcuna torsione. Carpenteria metallica, viti di testata e flange in pressione usano uno di questi, e nessuno usa una chiave a scatto per il motivo attorno a cui gira tutto l'articolo: una chiave a scatto misura il tuo sforzo, non il giunto.

Domande frequenti

Devo oliare una vite se la coppia del costruttore non lo dice?

No. Quando una prescrizione tace, il default del settore è «a secco come fornito», e quell'ipotesi è incorporata nel numero. Oliare una vite il cui valore è stato scritto a secco porta K da circa 0,20 a circa 0,15: la stessa coppia consegna allora quasi un terzo di precarico in più del previsto — abbastanza da portare un giunto dal 75 % al 100 % del carico di prova. L'eccezione è la prescrizione che nomina esplicitamente un lubrificante: lì usare altro, incluso nulla, è altrettanto sbagliato nel verso opposto. E se ti serve lubrificante perché un fissaggio giri liscio, è il fissaggio o la filettatura a essere rovinato: la risposta è un pezzo nuovo, non grasso.

Una chiave dinamometrica mi dice quanto precarico ho davvero ottenuto?

No, e una calibrata nemmeno. Una chiave dinamometrica misura il momento che applichi al manico, che è una misura reale e ripetibile del tuo sforzo. Non ha modo di separare in quel momento la parte che ha allungato la vite da quella che ha scaldato la faccia inferiore della testa. Una chiave calibrata a ±4 % può benissimo consegnare un precarico disperso del ±25-35 %, perché la dispersione viene dal giunto, non dallo strumento. Va detto chiaramente, perché una chiave migliore è l'acquisto d'istinto, e migliora proprio l'unico numero che non è mai stato il problema.

Perché il 75 % del carico di prova e non il 100 %?

Perché il 25 % che resta è il posto in cui stanno gli errori. Il coefficiente K è incerto di un quarto o più, la chiave ha la sua tolleranza, il giunto può assestarsi e perdere precarico, e qualunque carico esterno applicato si somma un po' alla vite sopra il precarico. Serra al 100 % della prova e un solo valore sbagliato di K ti porta oltre lo snervamento. Lo strumento parte da 75 % proprio per questo, e ti lascia il campo aperto per alzarlo di proposito su un giunto permanente — lì l'85-90 % è la norma, perché la vite non sarà mai allentata, il carico è più noto e la perdita di margine si paga con un montaggio più controllato. Nota che il carico di prova è già solo circa il 90 % dello snervamento, quindi il 75 % della prova è circa il 67 % dello snervamento.

Posso riutilizzare una vite a serraggio oltre snervamento?

No, e il motivo è nel nome. Una vite a serraggio oltre snervamento è progettata per essere portata di proposito oltre il suo limite elastico, nella parte piatta della curva tensione-deformazione, perché lì la trazione che trattiene è quasi insensibile a quanto si è allungata — un ottimo modo di ottenere precarico costante da un processo variabile. Il prezzo è che l'allungamento è permanente. Smontala ed è più lunga di quando è partita, più sottile nel gambo, e il suo prossimo passaggio oltre lo snervamento arriverà prima e finirà diversamente. Sono quasi sempre monouso, sempre prescritte come angolo dopo una coppia di accostamento, e sempre più economiche del pezzo che tengono fermo.

Perché l'inox ha un suo K, e cos'è il grippaggio?

L'inox austenitico è tenero, incrudisce, e il suo strato di ossido è sottile e si ripara da solo. Avvita una vite A2 o A4 a secco in un dado della stessa lega e le due superfici possono saldarsi nei punti di contatto, strapparsi, risaldarsi e bloccarsi del tutto — è il grippaggio, o saldatura a freddo, e succede con un normale serraggio a mano, senza calore e senza preavviso. Una volta innescato, il fissaggio non entra e non esce: va tagliato. Ecco perché lo strumento dà all'inox su inox a secco un K di 0,30, il più alto dell'elenco, contro 0,19 con lubrificazione. La regola pratica è semplice: monta sempre l'inox con pasta antigrippante, vai piano, e fermati appena lo sforzo sale senza motivo.