Câu hỏi tưởng đơn giản nhưng phần lớn sự cố mối ghép đều bắt đầu từ chỗ trả lời sai: bulong giữ hai chi tiết lại với nhau bằng cái gì? Không phải bằng thân bulong chèn vào lỗ, cũng không phải bằng ren ăn khớp. Nó giữ bằng lực kẹp — lực ép hai bề mặt vào nhau, sinh ra khi bulong bị kéo giãn trong lúc siết. Bulong ở đây đóng vai một chiếc lò xo rất cứng đã được nén sẵn. Toàn bộ phần còn lại của bài này là hệ quả của một câu ấy.
Khi bạn siết đai ốc, ren buộc bulong phải dài ra. Thép chống lại việc bị kéo dài, và phản lực ấy chính là lực kẹp FM ép mặt bích xuống. Cùng lúc đó, các chi tiết bị kẹp thì bị nén lại. Hệ thống rơi vào trạng thái cân bằng: bulong căng, chi tiết nén, hai lực bằng nhau và ngược chiều. Trạng thái đó gọi là ứng suất trước (preload / Vorspannkraft).
Ứng suất trước là thứ mang lại gần như mọi tính chất tốt của mối ghép ren:
Nói ngược lại: một mối ghép siết thiếu mất hết bốn tính chất trên cùng lúc. Đó là lý do vì sao trong thực tế, hỏng hóc do siết thiếu phổ biến hơn hỏng do siết quá nhiều.
Giới hạn trên do chính bulong quy định. ISO 898-1 định nghĩa ứng suất tải thử Sp — mức ứng suất mà bulong chịu được rồi tháo ra vẫn không có biến dạng dư đo được. Đây là mốc thiết kế an toàn:
| Cấp bền (ISO 898-1) | Rm nhỏ nhất (MPa) | Rp0,2 nhỏ nhất (MPa) | Sp — ứng suất tải thử (MPa) |
|---|---|---|---|
| 8.8 (d nhỏ hơn hoặc bằng M16) | 800 | 640 | 580 |
| 10.9 | 1040 | 940 | 830 |
| 12.9 | 1220 | 1100 | 970 |
Điều kiện áp dụng: giá trị trong bảng là của ISO 898-1 cho bulong thép cacbon / thép hợp kim ở nhiệt độ phòng. Với M16 trở lên ở cấp 8.8, tiêu chuẩn cho Rm 830 MPa và Rp0,2 660 MPa. Inox không dùng thang này — xem cấp bền inox theo ISO 3506.
Thông lệ kỹ thuật là siết tới khoảng 85% tải thử: đủ lớn để có lực kẹp cao, còn chừa biên an toàn cho sai số của dụng cụ và cho tải ngoài. Lực kẹp mục tiêu tính bằng:
FM = 0,85 × Sp × As
trong đó As là diện tích chịu kéo của ren, cũng do ISO 898-1 định nghĩa (tính theo trung bình đường kính trung bình d2 và đường kính chân ren d3) — chứ không phải diện tích đường kính danh nghĩa. Đây là chỗ hay sai: dùng nhầm tiết diện thân bulong sẽ ra lực kẹp lớn hơn thực tế 15–20%.
| Ren hệ mét bước thường | As (mm²) | FM cấp 8.8 (kN) | FM cấp 10.9 (kN) | FM cấp 12.9 (kN) |
|---|---|---|---|---|
| M6 × 1,0 | 20,1 | 9,9 | 14,2 | 16,6 |
| M8 × 1,25 | 36,6 | 18,0 | 25,8 | 30,2 |
| M10 × 1,5 | 58,0 | 28,6 | 40,9 | 47,8 |
| M12 × 1,75 | 84,3 | 41,6 | 59,5 | 69,5 |
Bảng trên là kết quả của đúng một phép nhân: As theo ISO 898-1, nhân Sp của cấp bền, nhân 0,85. Bạn kiểm tra lại được từng ô.
Vấn đề thực tế: ngoài công trường không ai đo được lực kẹp. Cái đo được là mô men trên cần siết. VDI 2230 cho công thức liên hệ hai đại lượng:
MA = FM × [ 0,16 × P + 0,58 × d2 × μG + (DKm / 2) × μK ]
với P là bước ren, d2 đường kính trung bình của ren, DKm đường kính ma sát trung bình dưới mũ, μG hệ số ma sát ren và μK hệ số ma sát mặt tựa. Thử với M10 × 1,5, lấy μG = μK = 0,14 (giữa nhóm ma sát B của VDI 2230, thép khô hoặc dầu nhẹ):
| Thành phần | Giá trị (mm) | Chiếm bao nhiêu mô men | Sinh ra lực kẹp? |
|---|---|---|---|
| Bước ren — 0,16 × 1,5 | 0,24 | 12% | Có |
| Ma sát ren — 0,58 × 9,03 × 0,14 | 0,73 | 37% | Không |
| Ma sát mặt tựa — (14,2/2) × 0,14 | 0,99 | 51% | Không |
| Tổng | 1,97 | 100% | — |
Hai kết luận rút ra ngay từ bảng này. Thứ nhất: chỉ khoảng một phần mười mô men bạn bỏ ra biến thành lực kẹp, phần còn lại đốt vào ma sát. Thứ hai — chia tổng 1,97 mm cho đường kính danh nghĩa 10 mm được 0,197. Đó chính là hệ số K ≈ 0,2 trong công thức đơn giản M = K × F × d mà mọi bảng tra đều dùng. K không phải hằng số vật lý; nó là ma sát 0,14 được gói lại cho gọn. Ma sát đổi thì K đổi theo, và lực kẹp thật đổi theo cùng tỉ lệ.
Ghép hai bước lại: MA = 0,2 × (0,85 × Sp × As) × d. Với M12 cấp 10.9: 0,2 × 59.500 N × 0,012 m = 143 Nm — đúng con số trong bảng tra lực siết tiêu chuẩn của chúng tôi. Mọi ô trong bảng ấy đều sinh ra từ đúng phép tính này, không có số nào lấy từ chỗ khác.
Vì mô men chỉ liên hệ gián tiếp với lực kẹp qua ma sát, mà ma sát lại phân tán, nên phương pháp siết bằng cần lực có sai số lớn hơn nhiều so với cảm nhận thông thường. VDI 2230 gọi mức phân tán này là hệ số siết αA — tỉ số giữa lực kẹp lớn nhất và nhỏ nhất mà một phương pháp có thể tạo ra khi đặt cùng một giá trị cài đặt:
Hệ quả thiết kế: khi tính mối ghép, lực kẹp nhỏ nhất mới là cái quyết định mối ghép có trượt hay hở không; còn lực kẹp lớn nhất quyết định bulong có bị quá tải không. Siết bằng súng va đập nghĩa là bạn phải thiết kế cho một dải rộng gấp đôi — thường phải lên cỡ bulong hoặc tăng số lượng. Đổi phương pháp siết đôi khi rẻ hơn đổi bulong.
Bảng lực siết tiêu chuẩn giả định: ren sạch và khô hoặc chỉ có dầu bảo quản nhẹ, mặt tựa phẳng thép trên thép, bulong mới, đai ốc có cấp bền không thấp hơn bulong. Ra khỏi các điều kiện đó thì phải hiệu chỉnh:
Toàn bộ bài này chỉ trả lời một nửa câu chuyện — nửa còn lại là ma sát, đại lượng chi phối 88% mô men mà lại là thứ ít được kiểm soát nhất trên công trường. Đó là nội dung bài hệ số ma sát và lực siết.
Vì mỗi tài liệu chọn một mức khai thác tải thử và một hệ số ma sát khác nhau. Bảng của NEXIM dùng 85% tải thử theo ISO 898-1 và K = 0,2 (tương ứng ma sát khoảng 0,14). Tài liệu chọn 75% tải thử hoặc ma sát 0,12 sẽ ra số thấp hơn hoặc cao hơn 10–20%. Không có bảng nào sai, chỉ khác điều kiện áp dụng — nên luôn đọc phần ghi chú điều kiện trước khi lấy số.
Không nên. Bảng tra giả định ren khô hoặc chỉ có dầu bảo quản. Mỡ làm hệ số ma sát giảm, cùng một mô men sẽ sinh lực kẹp lớn hơn đáng kể và bulong có thể vượt giới hạn chảy. Nếu buộc phải bôi trơn (ví dụ chống kẹt ren inox), phải giảm mô men theo hệ số ma sát mà nhà sản xuất chất bôi trơn công bố, hoặc chuyển sang siết theo góc.
Thông lệ công nghiệp là 75–90% tải thử tùy mức độ kiểm soát. NEXIM dùng 85% cho bảng tra chung: đủ cao để mối ghép không tự lỏng, vẫn còn biên cho sai số dụng cụ. Mối ghép chịu tải động cao và có kiểm soát tốt (siết theo góc) có thể lên 90%; mối ghép siết bằng súng va đập nên hạ xuống vì phân tán lớn.
Có. Ngay sau khi siết, các đỉnh nhấp nhô trên bề mặt tiếp xúc bị nén phẳng — hiện tượng lún bề mặt (embedding) — làm mất vài phần trăm lực kẹp trong vài giờ đầu. Mối ghép nhiều lớp, mặt sơn dày hoặc gioăng mềm mất nhiều hơn. Xem bài mất lực siết và siết lại để biết khi nào cần siết lượt hai.