Hướng dẫn Chọn và Sử dụng An toàn Bu-lông Hệ mét ISO cho Bảo trì

Hãy tưởng tượng một thiết bị chính xác có giá trị cao bị hỏng do một bu-lông nhỏ duy nhất bị hỏng—những tổn thất do đó có thể là thảm khốc. Trong bảo trì cơ khí, bu-lông và đai ốc có vẻ không quan trọng, nhưng chúng rất quan trọng để đảm bảo hoạt động an toàn và ổn định của thiết bị. Tuy nhiên, với vô số loại bu-lông và đai ốc theo hệ mét có sẵn, làm thế nào người ta có thể xác định chính xác, chọn đúng và siết chặt chúng một cách an toàn? Hướng dẫn này cung cấp các hướng dẫn rõ ràng, thiết thực cho các nhiệm vụ này.

Trong việc lắp ráp và bảo trì máy móc hiện đại, bu-lông và đai ốc đóng một vai trò quan trọng. Chúng là những thành phần chính kết nối các bộ phận khác nhau, đảm bảo tính toàn vẹn về cấu trúc của thiết bị. Thoạt nhìn, tất cả các bu-lông theo hệ mét có vẻ giống nhau, nhưng trên thực tế, chúng khác nhau đáng kể về loại ren, cấp độ bền và thông số kỹ thuật về kích thước. Việc lựa chọn hoặc sử dụng không chính xác có thể dẫn đến hỏng hóc thiết bị hoặc thậm chí là các mối nguy hiểm về an toàn. Do đó, việc hiểu sâu về các đặc điểm của bu-lông và đai ốc theo hệ mét, cùng với các kỹ thuật lựa chọn và siết chặt thích hợp, là điều cần thiết đối với nhân viên bảo trì cơ khí.

Hướng dẫn này được thiết kế cho các chuyên gia làm việc trong lĩnh vực bảo trì nhà máy và cơ khí, cung cấp kiến thức cơ bản về bu-lông và đai ốc theo hệ mét ISO để giúp họ xác định và sử dụng chính xác các bộ phận thay thế, đảm bảo hoạt động an toàn và đáng tin cậy của thiết bị. Chúng tôi sẽ tập trung vào các bu-lông và đai ốc theo hệ mét được sử dụng phổ biến nhất trong môi trường công nghiệp và đưa ra các mẹo thực tế để nhận dạng và ứng dụng.

Tiêu chuẩn ISO xác định nhiều loại ren chuyên dụng, nhưng trong hầu hết các thiết bị cơ khí, chỉ có hai loại thường được sử dụng: bước ren tiêu chuẩn và bước ren mịn. Các loại ren khác chủ yếu dành riêng cho các thiết bị chuyên dụng như dụng cụ chính xác hoặc thiết bị quang học.

Bước ren đề cập đến khoảng cách giữa các ren liền kề, được đo bằng milimét. Ren bước ren tiêu chuẩn phù hợp với hầu hết các kết nối thông thường, trong khi ren bước ren mịn được sử dụng khi cần lực khóa cao hơn hoặc khả năng chống rung.

Bảng dưới đây liệt kê các kết hợp đường kính và bước ren phổ biến nhất trong máy móc công nghiệp:

Ngoại trừ bu-lông và đai ốc cấp thấp nhất, tất cả các chốt theo hệ mét đều có các dấu hiệu nhận dạng độ bền. Những dấu hiệu này giúp xác định nhanh chóng và chính xác khả năng chịu tải của chúng.

Đầu bu-lông thường được đóng dấu bằng hai số được phân tách bằng dấu thập phân. Phạm vi đầy đủ bao gồm mười cấp từ 3.6 đến 14.9, nhưng trong môi trường công nghiệp, các cấp phổ biến là 8.8, 9.8, 10.9 và 12.9. Đầu bu-lông cũng bao gồm một mã nhà sản xuất (thường là hai hoặc ba chữ cái).

Số đầu tiên cho biết độ bền kéo của thép bu-lông, được đo xấp xỉ bằng 10 kg trên một milimét vuông diện tích mặt cắt ngang. Ví dụ, bu-lông cấp 12.9 sẽ chịu được ít nhất 120 kg trên một milimét vuông trước khi bị gãy. Tương tự, bu-lông cấp 8.8 có tải trọng phá vỡ là 80 kg trên một milimét vuông.

Khi một bu-lông dần chịu tải, nó kéo dài một chút, giống như một lò xo. Nếu tải được giải phóng, nó sẽ trở lại chiều dài ban đầu. Tuy nhiên, có một giới hạn mà bu-lông sẽ không phục hồi hoàn toàn mà thay vào đó sẽ bị kéo dài vĩnh viễn—đây là điểm chảy. Số thứ hai trên đầu bu-lông biểu thị phần trăm độ bền kéo mà bu-lông có thể chịu được trước khi bắt đầu kéo dài.

Ví dụ, bu-lông cấp 12.9 bắt đầu kéo dài khi tải đạt 90% tải phá vỡ của nó. Tương tự, bu-lông cấp 9.8 bắt đầu kéo dài ở 80% tải phá vỡ của nó.

Các dấu hiệu độ bền trên đai ốc thường khó xác định hơn so với các dấu hiệu trên bu-lông. Chúng có thể xuất hiện dưới dạng các con số hoặc dưới dạng các mẫu chấm và đường, trong đó vị trí của đường giống như kim đồng hồ cho biết cấp độ.

Cấp độ đai ốc phải luôn khớp hoặc vượt quá cấp độ bu-lông một cấp. Ví dụ, bu-lông cấp 8.8 nên kết hợp với đai ốc cấp 8 hoặc 9. Bu-lông cấp 12.9 nên kết hợp với đai ốc cấp 12 hoặc 14.

Như đã đề cập trước đó, khi một bu-lông dần chịu tải, nó đạt đến điểm chảy (nơi bắt đầu kéo dài vĩnh viễn). Nếu tải tiếp tục tăng, bu-lông đạt đến điểm phá vỡ của nó. Các tiêu chuẩn xác định một "tải trọng kiểm chứng", thường là 90% tải trọng cần thiết để kéo dài bu-lông.

Trong thực tế, các nhà sản xuất thường thiết kế máy móc sao cho bu-lông chịu tải dưới tải trọng kiểm chứng, đảm bảo hệ số an toàn mạnh mẽ.

Bu-lông bước ren mịn thường mạnh hơn 10% so với bu-lông bước ren tiêu chuẩn vì ít kim loại bị loại bỏ hơn trong quá trình ren.

Các mô-men xoắn tối đa được khuyến nghị trong bảng dưới đây giả định ren được bôi trơn nhẹ. Việc siết chặt bu-lông đến mô-men xoắn được chỉ định sẽ đặt độ căng trong bu-lông ở mức xấp xỉ 85% tải trọng kiểm chứng, tương đương với 62% tải trọng phá vỡ.

Chỉ sử dụng các giá trị mô-men xoắn này khi nhà sản xuất máy không chỉ định cài đặt mô-men xoắn.

Bu-lông và đai ốc bước ren mịn thường chỉ được sử dụng trong các trường hợp đặc biệt và tài liệu bảo trì của nhà sản xuất phải chỉ định mô-men xoắn cần thiết cho từng ứng dụng.

Ren bước ren mịn thường được sử dụng khi bu-lông được vặn vào các khối kim loại mềm (ví dụ: đúc nhôm), trong đó ren trong khối có thể yếu hơn nhiều so với bu-lông và thường yêu cầu mô-men xoắn thấp hơn để tránh bị tuột.

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của các bộ phận có ren, bao gồm phương pháp sản xuất, độ hoàn thiện bề mặt và độ chính xác hình dạng ren.

Độ bền của một kết nối có ren phụ thuộc vào thành phần yếu nhất của nó. Ví dụ, nếu một bu-lông có độ bền cao được vặn vào một vật liệu mềm hơn, dễ uốn hơn (ví dụ: hợp kim nhôm hoặc thép carbon thấp), thì bộ phận mềm hơn sẽ xác định mô-men xoắn an toàn tối đa.

Thông thường hơn, bu-lông phải chịu không chỉ tải trọng kéo từ việc siết chặt mà còn cả tải trọng ngang hoặc "cắt". Một ví dụ điển hình là hai tấm được bắt vít với nhau và chịu các lực tác dụng tải trọng cắt lên bu-lông.

Nếu tải trọng tác dụng rất nhỏ, ma sát giữa các tấm do độ chặt của bu-lông có thể ngăn chuyển động. Tuy nhiên, trừ khi chốt định vị được lắp đặt để chịu tải cắt, bu-lông cuối cùng sẽ gặp cả ứng suất cắt và ứng suất kéo. Việc kết hợp các ứng suất này tạo ra tổng ứng suất lớn hơn so với từng loại riêng lẻ, vì vậy mô-men xoắn trước của bu-lông có thể cần phải thấp hơn các giá trị tối đa để thích ứng với ứng suất bổ sung từ cắt.

Theo hướng dẫn, việc giảm mô-men xoắn siết chặt đi 10% cho phép 35% định mức tải của bu-lông xử lý lực cắt mà không bị quá tải.

Các kỹ sư thiết kế phải xem xét tất cả các yếu tố này và có thể chỉ định mô-men xoắn thấp hơn, đặc biệt là trong thiết bị nâng yêu cầu biên độ an toàn cao.

Luôn tham khảo tài liệu bảo trì của nhà sản xuất máy để biết các giá trị mô-men xoắn được chỉ định cho bu-lông và đai ốc trong các ứng dụng nâng và chịu tải.

Bảng dưới đây liệt kê các kích thước cờ lê và lục giác chính xác cho các kích thước bu-lông và đai ốc phổ biến nhất trong máy móc công nghiệp.

Để giảm thiểu nguy cơ trượt cờ lê và làm hỏng các cạnh của chốt, hãy sử dụng cờ lê vòng (hoặc đầu vòng của cờ lê kết hợp) bất cứ khi nào có thể.

Bu-lông theo hệ mét được sản xuất nhỏ hơn một chút so với kích thước danh nghĩa của chúng—ví dụ, bu-lông M16 thường có đường kính thân là 15,97 mm. Điều này có nghĩa là bu-lông 16 mm có thể đi qua lỗ 16 mm, nhưng để tính đến sự sai lệch giữa các bộ phận, các lỗ hở thường được khoan lớn hơn một chút.

Bảng dưới đây cung cấp các kích thước lỗ hở điển hình và kích thước mũi khoan ren chính xác cho ren tiêu chuẩn và ren mịn.

Đối với ren hệ mét, kích thước mũi khoan ren dễ dàng được tính toán là đường kính bu-lông trừ đi bước ren. Ví dụ, bu-lông M16 bước ren tiêu chuẩn với bước ren 2,0 mm yêu cầu kích thước mũi khoan ren là 16 – 2 = 14 mm.

Khi khai thác các lỗ, đặc biệt đối với các kích thước M10 và nhỏ hơn, thường xuyên tháo vòi để làm sạch các mảnh kim loại và ngăn ngừa gãy.

Khi siết chặt bu-lông vào ren hoặc cụm đai ốc và bu-lông để kẹp các bộ phận lại với nhau, mô-men xoắn được áp dụng sẽ tạo ra ứng suất kéo trong thân bu-lông.

Lực thực tế trong bu-lông phụ thuộc vào các yếu tố như hình dạng ren, bước ren, độ hoàn thiện bề mặt và bôi trơn. Đối với hầu hết các trường hợp tiêu chuẩn với bu-lông theo hệ mét được bôi trơn nhẹ, lực có thể được xấp xỉ là:

Lực = 5 × Mô-men xoắn / Đường kính

Trong đó lực tính bằng niutơn (N), mô-men xoắn tính bằng niutơn-mét (Nm) và đường kính tính bằng mét (m). Ví dụ, bu-lông M16 được siết chặt đến 247,5 Nm tạo ra:

Lực = 5 × 247,5 Nm / 0,016 m = 77.344 N (77,3 kN)

Để chuyển đổi niutơn thành kilogam-lực (kgf), hãy chia cho 9,81 (hoặc 10 để ước tính nhanh), tạo ra 7.884 kgf tải trọng bu-lông.

Ren khô làm tăng ma sát, dẫn đến lực thấp hơn.

Các mối nối bắt vít thường bị hỏng theo ba cách: hỏng cắt, gãy kéo hoặc tuột ren.

Gãy kéo (bu-lông bị gãy) xảy ra do quá tải khớp hoặc siết chặt quá mức. Bu-lông thường bị hỏng ở nơi ren gặp thân.

Hỏng cắt xảy ra khi lực ngang vượt quá khả năng của bu-lông, thường do siết chặt quá mức khiến không còn dự trữ sức mạnh cho tải cắt. Cả hai loại hỏng hóc thường xảy ra sớm hoặc muộn trong vòng đời của một bộ phận.

Một hỏng hóc dịch vụ thường xuyên liên quan đến tải trọng ngang làm bật đai ốc ra khỏi bu-lông, gây ra các hỏng hóc liên tiếp. Hình nón ren dẫn đến sự giãn nở của đai ốc, làm giảm sự ăn khớp của ren cho đến khi kim loại bị chảy và ren bị tuột.