Apertar um parafuso ao binário certo: porque o número na chave é uma aproximação

Para onde vai realmente o binário

Imagine o parafuso como uma mola que estica com um macaco de fuso. A rosca é o macaco; ao girá-la puxa a cabeça contra a ligação e põe o parafuso em tração. Essa tração é a pré-carga, e é esse todo o objetivo: é ela que impede as peças de deslizar, que impede a ligação de abrir sob carga e — contra a intuição — que impede o parafuso de fadigar, porque um parafuso bem pré-carregado quase não vê a carga cíclica aplicada à ligação.

O problema é que a chave não vê nada disso. Lê a reação no punho, e essa reação é a soma de três coisas: o trabalho útil de subir a hélice do filete, o atrito entre os flancos do filete, e o atrito entre a face inferior da cabeça ou da porca e a superfície contra a qual roda. Só o primeiro estica o parafuso. Conforme as superfícies, os outros dois somam entre quatro quintos e nove décimos de tudo o que puxa. Passe um pouco de óleo na rosca e não mudou o parafuso, nem a ligação, nem a chave: mudou a taxa de câmbio entre o número do mostrador e a força no parafuso.

Toda essa confusão é agrupada num só número, o coeficiente K, e a relação é deliberadamente grosseira: T = K · F · d, com F a pré-carga e d o diâmetro nominal. K não é um coeficiente de atrito nem se deduz de um. É um fator empírico global que engloba de uma vez o atrito sob a cabeça, o dos filetes e a geometria da hélice, e a única forma honesta de o obter é apertar uma amostra da ligação real sobre uma célula de carga e medi-lo. As tabelas publicadas dão gamas, não valores. A calculadora traz onze valores intermédios — seco 0,20, óleo leve 0,15, bissulfureto de molibdénio 0,10, cera ou PTFE 0,12, antigripante 0,13, cadmiado 0,16, óxido negro 0,18, inox lubrificado 0,19, zincado 0,20, galvanizado a quente 0,25, inox sobre inox a seco 0,30 — e deixa-o escrever o seu se o mediu.

O que a ferramenta calcula, passo a passo

Trabalha para a frente, do parafuso para a chave, nunca ao contrário. Primeiro a área resistente, que não é a área do diâmetro nominal nem a do fundo do filete, mas uma média convencional das duas: em métrica de passo grosso, As = (π/4)(d − 0,9382 · P)², onde P é o passo. Para um M10 com passo de 1,5 mm dá 57,99 mm², e para um M20 a 2,5 mm dá 244,8 mm² — ambas reproduzem as tabelas da ISO 898-1. As roscas unificadas em polegadas usam a fórmula paralela As = 0,7854 · (D − 0,9743/n)², que devolve 0,1419 in² para um 1/2-13 UNC, outra vez o valor publicado.

Depois a tensão de prova, que vem da classe de qualidade e, em duas delas, também do diâmetro. A classe 8.8 vale 580 MPa até 16 mm inclusive e 600 MPa acima; a 10.9 vale 830 MPa; a 12.9, 970 MPa; o inox A4-80 é dado sobre a sua tensão de cedência a 0,2 % de 600 MPa, porque o inox austenítico não tem carga de prova no mesmo sentido. Multiplique a tensão de prova pela área resistente e tem a carga de prova — a carga que o parafuso tem garantido suportar sem deformação permanente mensurável, cerca de 90 % da sua tensão de cedência. M10 classe 8.8: 580 × 57,99 = 33 634 N, ou seja 33,63 kN.

O terceiro passo é seu: que fração da carga de prova quer no parafuso? O campo vem a 75 % por omissão, o valor corrente para uma ligação que conta voltar a abrir; nas permanentes sobe-se a 85-90 %. Isso dá F = 25,23 kN. O último passo é o grosseiro: T = K · F · d = 0,15 × 25 225 N × 0,010 m = 37,84 N·m. Tudo o que precede essa linha é trabalho normativo com valores publicados por trás. A última linha é uma estimativa com um coeficiente medido à frente, e é aí que mora toda a incerteza.

Leia a tabela ao contrário: um binário, sete apertos diferentes

A ferramenta imprime um binário para cada estado de lubrificação, que é o sentido útil quando se sabe em que estado está o parafuso. O sentido inquietante é o outro. Fixe o binário no valor oleado de 37,84 N·m — o tipo de número que se aponta num bocado de fita e se reutiliza — e pergunte que pré-carga recebe de facto cada superfície. A resposta está na tabela abaixo, e abrange um fator de três: 12,61 kN em inox seco, 18,92 kN a seco ou zincado, 25,23 kN como se pretendia, 37,84 kN com massa de molibdénio.

Duas linhas merecem que se aponte para elas. O galvanizado a quente, K = 0,25, recebe 15,14 kN — 45 % da carga de prova, uma ligação mal apertada que acabará por afrouxar. E a massa de bissulfureto de molibdénio, K = 0,10, recebe 37,84 kN, ou seja 112,5 % da carga de prova: o parafuso foi puxado para lá do que está certificado a aguentar sem alongamento permanente. É esse todo o argumento para ler o estado de lubrificação de uma prescrição como parte da prescrição, e não como uma nota de rodapé. O binário certo de um parafuso a seco é cerca do dobro do de um parafuso oleado, e aplicar o número do seco a um parafuso oleado é a maneira mais certa de o estragar.

«Mais um bocadinho»: é assim que se estica um parafuso além do limite

Os 75 % por omissão existem porque tem de haver folga. A carga de prova é cerca de 90 % da tensão de cedência, portanto apertar a 75 % da prova põe o parafuso a uns 67 % do seu limite — o exemplo M10 fica em 435 MPa num parafuso cuja resistência à tração é de 800 MPa. Essa diferença não é folga inútil. Absorve a dispersão do K, a tensão acrescentada pela carga exterior, o facto de uma chave dinamométrica só ser exata a alguns por cento, e o corte de torção que o aperto acrescenta por cima da tração e que o valor de tensão da ferramenta não inclui.

A calculadora não o impedirá de gastar essa folga. A percentagem de pré-carga é um campo livre, sem teto nem aviso. Escreva 500 e devolve 252,3 N·m e uma tensão de 2 900 MPa no parafuso, contra uma resistência à tração de 800 MPa — um valor que descreve um parafuso já partido, impresso no mesmo tipo de letra que todos os outros resultados. Convém sabê-lo antes de confiar num número que ela lhe dá: a ferramenta faz aritmética, e fará a aritmética de uma ligação partida tão alegremente como a de uma sã. Acima de 100 % já não é uma ligação, é um relatório de rotura.

Na prática, as roturas raramente vêm de escrever 500. Vêm da segunda passagem. Uma chave que fez clique, depois uma dúvida, depois nova tentativa — e a segunda passagem não recomeça do zero, soma-se. Vêm de um binário lembrado de outro parafuso do mesmo diâmetro mas de outra classe, já que um M10 em 10.9 pede 830 MPa onde o 8.8 pede 580. E vêm de uma ligação que assenta: tinta, junta mole, rebarba sob a cabeça, tudo coisas que deixam o parafuso relaxar depois do aperto — daí existir uma passagem de reaperto, e daí ela ter de ser feita ao mesmo binário, não a um maior.

Quando o binário deixa de chegar

Se uma chave dinamométrica entrega a pré-carga com ±25 a ±35 %, então qualquer ligação em que a pré-carga realmente conte precisa de outro método. O degrau mais barato é o aperto angular, e já o encontrou sem saber: uma prescrição do tipo «30 N·m mais 90 graus» não pede duas coisas, pede uma. A etapa de binário só existe para encostar a ligação e recuperar folgas — é a condição de «encostado» — e a partir daí é o ângulo que fixa o alongamento, porque rodar a porca uma fração conhecida de volta avança-a uma fração conhecida do passo, e esse avanço é alongamento. O atrito quase não tem voto na segunda etapa.

Acima estão os métodos que medem a coisa em si. O alongamento do parafuso, lido a micrómetro sobre um comprimento de referência conhecido ou com um aparelho de ultrassons que cronometra um eco pela haste, é a medida direta: lê-se o alongamento em vez de o inferir. As anilhas indicadoras de carga esmagam uma série de saliências a uma carga conhecida. Os tensores hidráulicos contornam o problema por completo: puxam o parafuso em tração pura e a porca é apenas encostada a um parafuso já esticado, pelo que não se introduz torção nenhuma. Estrutura metálica, cabeças de motor e flanges sob pressão usam um destes, e nenhum usa uma chave de estalido pela razão em torno da qual este artigo anda: uma chave de estalido mede o seu esforço, não a ligação.

Perguntas frequentes

Devo olear um parafuso se o binário do fabricante não o disser?

Não. Quando uma prescrição se cala, o valor por omissão do setor é «seco tal como fornecido», e esse pressuposto está embutido no número. Olear um parafuso cujo valor foi escrito a seco leva o K de cerca de 0,20 para cerca de 0,15, logo o mesmo binário entrega quase um terço mais de pré-carga do que o previsto — o suficiente para levar uma ligação de 75 % a 100 % da carga de prova. A exceção é a prescrição que nomeia explicitamente um lubrificante: aí usar outra coisa, incluindo nada, é igualmente errado no sentido oposto. E se precisa de lubrificante para que uma fixação rode suave, o que está danificado é a fixação ou a rosca: a resposta é uma peça nova, não massa.

Uma chave dinamométrica diz-me a pré-carga que realmente obtive?

Não, e uma calibrada também não. Uma chave dinamométrica mede o momento que aplica no punho, o que é uma medida real e repetível do seu próprio esforço. Não tem maneira de separar nesse momento a parte que esticou o parafuso da que aqueceu a face inferior da cabeça. Uma chave calibrada a ±4 % pode muito bem entregar uma pré-carga dispersa em ±25 a ±35 %, porque a dispersão vem da ligação, não do instrumento. Vale a pena dizê-lo claramente, porque uma chave melhor é a compra reflexo, e melhora precisamente o único número que nunca foi o problema.

Porquê 75 % da carga de prova e não 100 %?

Porque os 25 % restantes são o sítio onde cabem os erros. O coeficiente K é incerto num quarto ou mais, a chave tem a sua própria tolerância, a ligação pode assentar e perder pré-carga, e qualquer carga exterior aplicada acrescenta um pouco ao parafuso por cima da pré-carga. Aperte a 100 % da prova e um só valor mau de K leva-o para lá da cedência. A ferramenta traz 75 % por omissão exatamente por isso, e deixa-lhe o campo aberto para subir de propósito numa ligação permanente — aí o normal é 85-90 %, porque o parafuso nunca será desapertado, a carga é mais conhecida e a perda de margem paga-se com uma montagem mais controlada. Note que a carga de prova é já só cerca de 90 % da cedência, portanto 75 % da prova são uns 67 % da cedência.

Posso reutilizar um parafuso de aperto até à cedência?

Não, e a razão está no nome. Um parafuso de aperto até à cedência é concebido para ser levado de propósito para lá do seu limite elástico, para a parte plana da sua curva tensão-deformação, porque aí a tensão que retém fica quase insensível ao quanto se esticou — uma excelente forma de tirar pré-carga constante de um processo variável. O preço é que o alongamento é permanente. Tire-o e estará mais comprido do que ao início, mais fino na haste, e a sua próxima passagem para lá do limite chegará mais cedo e acabará de outra maneira. São quase sempre de uso único, sempre prescritos como ângulo depois de um binário de encosto, e sempre mais baratos do que a peça que seguram.

Porque é que o inox tem o seu próprio K, e o que é a gripagem?

O inox austenítico é mole, encrua, e a sua camada de óxido é fina e auto-reparadora. Meta um parafuso A2 ou A4 a seco numa porca da mesma liga e as duas superfícies podem soldar-se nos pontos de contacto, rasgar-se, voltar a soldar-se e bloquear de vez — é a gripagem, ou soldadura a frio, e acontece com um aperto manual normal, sem calor e sem aviso. Uma vez começada, a fixação nem entra nem sai: tem de ser cortada. Daí a ferramenta dar ao inox sobre inox a seco um K de 0,30, o mais alto da lista, contra 0,19 com lubrificação. A regra prática é simples: monte sempre o inox com pasta antigripante, vá devagar, e pare mal o esforço suba sem razão.