Śruby JIS 8.8, 10.9, 12.9: wytrzymałość i moment dokręcania
Z Japonii przychodzi maszyna z rysunkiem złożeniowym, na którym przy śrubach M10 widnieje 強度区分 12.9 i moment dokręcania w N·m. Dział utrzymania ruchu pracuje z tabelami momentów według VDI 2230 i ze współczynnikami tarcia µ, więc od razu pojawiają się trzy pytania. Czy japońska śruba 10.9 to to samo co 10.9 według PN-EN ISO 898-1? Dlaczego japońska wartość jest wyraźnie niższa niż w naszej tabeli? I dlaczego na niektóre śruby sześciokątne M10 pasuje klucz 17, a nie 16?
Ten poradnik jest dla inżynierów, służb utrzymania ruchu i działów zakupów, które pracują z japońskimi rysunkami, maszynami i dostawcami. Wyjaśnia, jak czytać klasy właściwości mechanicznych 8.8, 10.9 i 12.9 według JIS B 1051, jakie nakrętki do nich dobrać i jak liczone są japońskie tabele momentów, także w porównaniu z VDI 2230. W skrócie: obowiązuje moment podany przez konstruktora lub producenta maszyny. Tabela to tylko obliczenie przy określonych założeniach, a po zmianie smarowania lub powłoki ten sam moment daje zupełnie inną siłę napięcia wstępnego.
Spis treści
- Najważniejsze w skrócie
- Jak czytać oznaczenia 8.8, 10.9 i 12.9
- Porównanie klas 8.8, 10.9 i 12.9
- „Śruba JIS”: rozwartość klucza jak w dawnych DIN 931/933
- Dobór nakrętki do klasy śruby
- Moment dokręcania a siła napięcia wstępnego
- Jak liczone są japońskie tabele momentów dokręcania
- Dokręcanie momentem, kątem i do granicy plastyczności według JIS B 1083
- Dlaczego śruby luzują się mimo prawidłowego momentu
- Dlaczego śruby pękają: przeciągnięcie, zmęczenie, pękanie opóźnione
- Lista kontrolna przed dokręcaniem
- Ograniczenia tego poradnika
- FAQ
Najważniejsze w skrócie
Poniższa tabela krótko odpowiada na najczęstsze pytania. Szczegóły znajdziesz w kolejnych rozdziałach.
| Pytanie | Krótka odpowiedź |
|---|---|
| Co oznacza 10.9? | Nominalna wytrzymałość na rozciąganie 1000 N/mm² (10 × 100) i stosunek granicy plastyczności do wytrzymałości 0,9, czyli nominalna granica plastyczności 900 N/mm² |
| Czy śruba 10.9 według JIS różni się od 10.9 według PN-EN ISO 898-1? | Nie. JIS B 1051:2014 jest identycznym japońskim przyjęciem ISO 898-1:2013, a ta sama norma ISO funkcjonuje w Polsce jako PN-EN ISO 898-1. Klasy i wymagane właściwości mechaniczne są takie same; wymiary łbów mogą się jednak różnić |
| Jaka nakrętka? | Dla nakrętek zwykłych i wysokich: klasa 8 do śrub 8.8, klasa 10 do 10.9, klasa 12 do 12.9. Nakrętka wyższej klasy jest dopuszczalna, niższej nie. Nakrętki niskie (04, 05) wymagają osobnej oceny |
| Jaki moment dokręcania? | Ten z rysunku, z dokumentacji producenta albo z normy zakładowej. Tabele tylko pomocniczo i tylko wtedy, gdy ich założenia odpowiadają Twoim warunkom |
| Dlaczego japońskie tabele dostawców podają mniej niż tabela Würth według VDI 2230? | Tabele MISUMI i Yura Sansyo celują w środek zakresu siły napięcia wstępnego, którego górna granica to 70% siły na granicy plastyczności. Tabela Würth według VDI 2230 podaje moment dla 90% wykorzystania granicy plastyczności przez naprężenie zredukowane od rozciągania i skręcania |
| Dlaczego klucz 17 na M10? | Japońskie śruby w „wykonaniu JIS” mogą mieć dawne rozwartości klucza, takie jak w DIN 931/933 (M10: 17 mm zamiast 16 mm według ISO 4014/4017) |
| Czy 12.9 to zawsze bezpieczniejszy wybór? | Nie. Ma mniejszą zdolność do odkształceń plastycznych, a JIS B 1051 wprost zaleca ostrożność przy stosowaniu klasy 12.9 ze względu na ryzyko kruchości wodorowej |
Jak czytać oznaczenia 8.8, 10.9 i 12.9
Na japońskich rysunkach i w wykazach części klasa właściwości mechanicznych występuje jako 強度区分 (kyōdo kubun, dosł. „klasa wytrzymałości”). Oznaczenie określa JIS B 1051:2014, odpowiednik ISO 898-1:2013, czyli treściowo ta sama norma co PN-EN ISO 898-1. Właściwości śrub ze stali węglowej i stopowej opisuje ona dwiema liczbami:
- Liczba przed kropką: nominalna wytrzymałość na rozciąganie Rm w N/mm² (MPa) podzielona przez 100.
- Liczba po kropce: stosunek nominalnej granicy plastyczności do nominalnej wytrzymałości na rozciąganie, pomnożony przez 10.
Iloczyn wytrzymałości na rozciąganie i tego stosunku daje orientacyjne naprężenie, od którego śruba zaczyna się trwale wydłużać. Rysunek 1 pokazuje to na przykładzie klasy 10.9.
Liczby po obu stronach kropki dają nominalną wytrzymałość na rozciąganie i nominalną granicę plastyczności.
1 MPa = 1 N/mm². Wartości nominalne służą do oznaczenia klasy i nie zawsze są równe wartościom minimalnym gwarantowanym przez normę (patrz następny rozdział).
Dla klasy 8.8 nominalna wytrzymałość na rozciąganie wynosi 800 N/mm², a stosunek 0,8. Daje to 800 × 0,8 = 640 N/mm² nominalnej umownej granicy plastyczności Rp0,2, czyli naprężenia, które pozostawia 0,2% trwałego wydłużenia.
Klasa jest też oznaczona na samej części. JIS B 1051:2014 wymaga, aby śruby z łbem sześciokątnym i z łbem walcowym z gniazdem sześciokątnym o średnicy nominalnej od 5 mm, we wszystkich klasach, miały znak producenta i oznaczenie klasy. Napis „8.8”, „10.9” lub „12.9” na łbie wynika z tej zasady, tak samo jak w przypadku śrub według PN-EN ISO 898-1.
System ten dotyczy tylko śrub ze stali węglowej i stopowej. Śruby ze stali nierdzewnej obejmuje JIS B 1054-1:2013 (odpowiednik ISO 3506-1:2009) z innym oznaczeniem, np. A2-70: gatunek stali A2 plus klasa wytrzymałości 70, czyli minimalna wytrzymałość na rozciąganie 700 N/mm² podzielona przez 10. Wytrzymałość i odporność na korozję zależą od gatunku stali, dlatego wartości dla śrub stalowych nie można przenosić na śruby nierdzewne.
Porównanie klas 8.8, 10.9 i 12.9
JIS B 1051 i ISO 898-1 przewidują dziewięć klas: 4.6, 4.8, 5.6, 5.8, 6.8, 8.8, 9.8, 10.9 i 12.9. W maszynach i instalacjach przemysłowych najczęściej spotyka się 8.8, 10.9 i 12.9, a ich wymagane właściwości mechaniczne zestawia rysunek 2.
Wytrzymałość na rozciąganie, granica plastyczności i naprężenie od obciążenia próbnego rosną z klasą, a wydłużenie po rozerwaniu maleje.
(d ≤ 16 mm)
(d > 16 mm)
Naprężenia w N/mm² (= MPa), d = średnica nominalna gwintu. Wartości z tablicy 3 normy JIS B 1051:2014, sprawdzone z tabelą specyfikacji Nippon Fastener i poradnikiem śrubowym Yura Sansyo. Wydłużenie dotyczy próbek obrabianych skrawaniem. Naprężenie od obciążenia próbnego to naprężenie w próbie obciążenia próbnego: po odciążeniu śruba nie może mieć trwałego wydłużenia.
Wartość nominalna wyliczona z oznaczenia klasy i wartość minimalna gwarantowana przez normę nie zawsze są takie same. Dla 10.9 nominalna granica plastyczności to 900 N/mm², a wymagane minimum 940 N/mm². Dla 12.9 jest to 1080 N/mm² nominalnie wobec 1100 N/mm² minimum, a w obliczeniach momentu stosuje się wartość minimalną.
Na dole skali klasa 4.8 ma nominalną wytrzymałość na rozciąganie 400 N/mm² (minimum 420 N/mm²). Od klasy 8.8 norma wymaga stali węglowej lub stopowej hartowanej i odpuszczanej (ulepszanej cieplnie), więc wytrzymałość pochodzi z obróbki cieplnej.
Nie oznacza to, że 12.9 jest domyślnie bezpieczniejszym wyborem. Jak widać w tabeli, wraz ze wzrostem wytrzymałości spada minimalne wydłużenie, czyli śruba ma mniejszą zdolność do odkształceń plastycznych. JIS B 1051:2014 wprost zaleca też ostrożność przy stosowaniu klasy 12.9 ze względu na pękanie opóźnione (nagłe kruche pęknięcie po pewnym czasie od dokręcenia), omówione dalej. Klasę dobiera się do wymaganej siły napięcia wstępnego, wytrzymałości łączonych części i warunków pracy, a nie według zasady „mocniejsza znaczy bezpieczniejsza”.
„Śruba JIS”: rozwartość klucza jak w dawnych DIN 931/933
Klasa właściwości jest w JIS i ISO taka sama, ale łeb sześciokątny już niekoniecznie. Japońska norma na śruby z łbem sześciokątnym, JIS B 1180:2014, opiera się na ISO 4014–ISO 4018 i powiązanych normach ISO. Zawiera jednak dodatkowo załącznik (Annex JA) dla śrub sześciokątnych, które nie są zgodne z tymi normami ISO, bo takie śruby nadal produkuje się i stosuje w Japonii.
W japońskich katalogach te śruby spoza ISO nazywa się często „wykonaniem JIS” (JIS 規格品, JIS kikakuhin) i mają one dawne japońskie wymiary łbów. W wydaniach JIS B 1180 z 1994 i 2004 roku załącznik podawał rozwartość klucza 17 mm dla M10, 19 mm dla M12, 22 mm dla M14 i 32 mm dla M22. To te same wartości co w wycofanych normach DIN 931 (śruby z niepełnym gwintem) i DIN 933 (z gwintem na całej długości), natomiast ich następczynie ISO 4014 i ISO 4017 przewidują dla tych rozmiarów 16, 18, 21 i 34 mm. Załącznik jest też w wydaniu z 2014 roku, ale rozwartości klucza sprawdziliśmy na podstawie wydań z 1994 i 2004 roku.
Poniższa tabela zestawia cztery rozmiary, w których wymiary się różnią. Przy zamawianiu konkretnej części zamiennej decyduje uzgodnione wydanie normy i rysunek producenta.
| Gwint | Wykonanie JIS (JIS B 1180, załącznik, wyd. 1994/2004) | DIN 931/933 (wycofane) | ISO 4014/4017, w Polsce PN-EN ISO 4014/4017 |
|---|---|---|---|
| M10 | S = 17 | S = 17 | S = 16 |
| M12 | S = 19 | S = 19 | S = 18 |
| M14 | S = 22 | S = 22 | S = 21 |
| M22 | S = 32 | S = 32 | S = 34 |
W polskich zakładach ta sytuacja jest znana, bo w handlu nadal są śruby oznaczane DIN 931/933 obok śrub według ISO. Starsze maszyny japońskie, a czasem także obecne japońskie zapasy, wymagają na M10 klucza 17, podczas gdy śruba ISO potrzebuje klucza 16. Nie zmienia to klasy właściwości, ale wpływa na części zamienne, narzędzia i miejsce wokół łba.
Powierzchnia oporowa pod łbem też może być inna, dlatego moment i warunki dokręcania warto potwierdzić u konstruktora lub producenta. Jeśli w japońskim wykazie części jest tylko „śruba sześciokątna M10”, zapytaj o pełną normę wyrobu i jej wydanie (wykonanie ISO czy JIS), a oprócz łba sprawdź też długość gwintu i geometrię powierzchni oporowej.
Dobór nakrętki do klasy śruby
Śruba wysokiej wytrzymałości nic nie da, jeśli nakrętka jest za słaba, bo wtedy połączenie zawiedzie po stronie nakrętki. Klasy nakrętek określa JIS B 1052-2:2014 (przejmuje ISO 898-2:2012, w Polsce PN-EN ISO 898-2). Każda klasa nakrętki ma ten sam numer co lewa liczba najwyższej klasy śruby, z którą wolno ją łączyć:
- Nakrętka klasy 8: śruby do 8.8
- Nakrętka klasy 10: śruby do 10.9
- Nakrętka klasy 12: śruby do 12.9
Norma dopuszcza zastąpienie nakrętki niższej klasy nakrętką wyższej klasy. Nakrętka klasy 10 na śrubie 8.8 jest więc w porządku, ale odwrotnie nie, np. nakrętka klasy 8 na śrubie 10.9.
Takie dobranie jest celowe. Nakrętki zwykłe i wysokie projektuje się tak, aby przy przeciążeniu podczas dokręcania pierwsza zerwała się śruba, a nie został ścięty gwint nakrętki. Załącznik JIS B 1052-2:2014 uzasadnia to tym, że zerwanie śruby jest wyraźnym sygnałem, że przy dokręcaniu coś poszło nie tak.
Wyjątkiem są nakrętki niskie (低ナット, tei-natto; klasy 04 i 05). Mają mniejszą nośność i nie są projektowane tak, aby zapobiegać zerwaniu gwintu. Jeśli brak miejsca wymusza użycie nakrętki niskiej jako nośnej, skonsultuj to z konstruktorem.
Moment dokręcania a siła napięcia wstępnego
Przy dokręcaniu śruba lekko się wydłuża, a jej siła rozciągająca dociska łączone części. Ta siła osiowa to siła napięcia wstępnego, po japońsku 軸力 (jikuryoku, dosł. „siła osiowa”). To ona sprawia, że połączenie działa, ale na hali trudno ją zmierzyć bezpośrednio, dlatego w praktyce kontroluje się moment dokręcania (締付トルク, shimetsuke torque).
JIS B 1083:2008 (ogólne zasady dokręcania połączeń gwintowych) opisuje zależność między momentem dokręcania T a siłą napięcia wstępnego F w zakresie sprężystym, gdzie d to średnica nominalna, a K to współczynnik momentu:
T = K × F × d
Kto pracuje z VDI 2230, zna zamiast tego osobne współczynniki tarcia w gwincie (µG) i pod łbem (µK). K łączy oba udziały tarcia oraz geometrię gwintu i powierzchni oporowej w jednej liczbie. Z tabeli Würth według VDI 2230 dla M10, 10.9 przy µG = µK = 0,12 wynika K = 71 N·m ÷ (43,4 kN × 10 mm) ≈ 0,164 (1 kN·mm = 1 N·m, K jest bezwymiarowe), czyli wartość bliska 0,17. Uniwersalnego przeliczenia K na µ jednak nie ma, bo zależy ono od skoku gwintu i średnicy powierzchni oporowej.
Wzór jest prosty, trudność leży w K. JIS B 1083 zwraca uwagę, że przy dokręcaniu momentem około 90% momentu pochłania tarcie w gwincie i pod łbem. Tylko niewielka reszta idzie na wytworzenie siły napięcia wstępnego.
Niewielka zmiana tarcia daje więc przy tym samym momencie dużą zmianę siły napięcia wstępnego. Jako wartości orientacyjne Yura Sansyo podaje K = 0,17 dla stali bez powłoki smarowanej olejem i 0,25 na sucho, 0,24 dla śrub ocynkowanych galwanicznie i 0,45 dla stali nierdzewnej. MISUMI dla czernionych śrub stalowych podaje, zależnie od materiału współpracującego, 0,145–0,215 z olejem i 0,25–0,55 na sucho. Obie firmy traktują te liczby jako orientacyjne.
Obliczona siła napięcia wstępnego śruby M10 klasy 10.9 dokręconej momentem 55,6 N·m, według F = T ÷ (K × d).
F plast. = siła na granicy plastyczności = minimalna umowna granica plastyczności 940 N/mm² × przekrój czynny 58 mm². Moment 55,6 N·m obliczono przy K = 0,17 (patrz następny rozdział). Wartości K to przykłady z zakresów podanych przez MISUMI i Yura Sansyo; rzeczywistą wartość trzeba potwierdzić próbami dokręcania.
Jak pokazuje rysunek 3, moment ustalony dla K = 0,17 daje tylko około dwóch trzecich zakładanej siły napięcia wstępnego, jeśli rzeczywiste K wynosi 0,25. Działa to też w drugą stronę: jeśli ktoś nałoży środek smarny, którego specyfikacja nie przewiduje, i K spadnie, ten sam moment wytworzy większą siłę niż zakładano, a ryzyko przeciągnięcia śruby rośnie. Osiągnięcie zadanego momentu nie oznacza więc osiągnięcia docelowej siły napięcia wstępnego.
Jak liczone są japońskie tabele momentów dokręcania
Tabele momentów publikowane przez japońskich dostawców i dystrybutorów, takich jak MISUMI i Yura Sansyo, opierają się na tej samej logice. Najpierw ograniczają siłę napięcia wstępnego do 70% siły na granicy plastyczności, czyli Fmax = 0,7 × Rp0,2 min × As. Obie firmy opisują, że przy dokręcaniu momentem siła napięcia wstępnego pozostaje w zakresie sprężystym, a ta wartość jest maksimum. Japoński producent narzędzi TONE również wyjaśnia, że ze względu na rozrzut śruby dokręca się zwykle do około 60–70% granicy plastyczności, tak aby pozostały poniżej granicy sprężystości.
Następnie tabele uwzględniają rozrzut siły napięcia wstępnego przez współczynnik dokręcania Q, czyli stosunek siły maksymalnej do minimalnej. Q odpowiada współczynnikowi dokręcania αA z VDI 2230. MISUMI i Yura Sansyo przyjmują Q = 1,4 dla śruby z olejem dokręcanej kluczem dynamometrycznym. Przy górnej granicy 70% siły na granicy plastyczności i dolnej granicy równej 1/Q tej wartości moment dla środka zakresu wynosi:
TA = 0,35 × K × (1 + 1/Q) × σy × As × d
Tutaj σy to dolna granica plastyczności lub umowna granica plastyczności Rp0,2, As to przekrój czynny gwintu, a d średnica nominalna. Jest to uproszczony wzór z materiałów technicznych dostawców, a nie wzór z JIS B 1083:2008. Procedura JIS B 1083 wyznacza moment docelowy z minimalnego i maksymalnego współczynnika momentu (ustalonych próbami dokręcania, np. według JIS B 1084), z granic siły napięcia wstępnego podanych przez konstruktora i z rozrzutu momentu narzędzia. Wzór uproszczony zastępuje tę procedurę typową wartością K i współczynnikiem Q.
Przykład dla M10, klasa 10.9: granica plastyczności 940 N/mm² × przekrój czynny 58 mm² daje siłę na granicy plastyczności około 54,5 kN. Górna granica to 70% tej wartości, około 38,2 kN, dolna 38,2 ÷ 1,4 ≈ 27,3 kN, a środek zakresu około 32,7 kN. Przy K = 0,17 moment wynosi 0,17 × 32,7 kN × 10 mm ≈ 55,6 N·m.
Przykład obliczeniowy przy podanych założeniach, a nie zalecany moment dokręcania. Inne warunki dają inne wartości.
(przekrój czynny)
Wartości w N·m. Obliczone przez MONOSCOPE powyższym wzorem i porównane z tabelą referencyjną w poradniku śrubowym Yura Sansyo (K = 0,17, Q = 1,4). Dla 8.8 i 10.9 wartości są zgodne. Dla 12.9 poradnik przyjmuje granicę plastyczności 1098 N/mm², więc jego wartości są niższe o około 0,2% (65,0 N·m dla M10).
Wartości te nie oznaczają, że połączenie dokręcone takim momentem jest bezpieczne. Śruby ocynkowane, gwinty suche, stal nierdzewna lub części współpracujące z aluminium czy żeliwa zmieniają K, a z nim siłę napięcia wstępnego. Obowiązuje rysunek, wartość producenta lub norma zakładowa, a połączenia krytyczne należy uzgodnić z konstruktorem.
Rysunek 4 dotyczy wyłącznie śrub stalowych bez powłoki, z olejem, dokręcanych kluczem dynamometrycznym. Dla śrub ocynkowanych, gwintów suchych, stali nierdzewnej oraz części z aluminium lub żeliwa K jest inne i te wartości nie mają zastosowania. Poradnik Yura Sansyo również podkreśla, że wartości tabelaryczne silnie zależą od warunków i służą tylko jako orientacja, a liczyć należy dla rzeczywistych warunków.
Porównanie z tabelami według VDI 2230
Po zestawieniu japońskich wartości z tabelą według VDI 2230, tutaj z tabelą 6.4 Würth Industrie Service (DINO, rozdział 6), widać wyraźnie wyższe liczby. Przyczyną nie są inne śruby, tylko inne pytanie, na które odpowiada tabela. Pokazuje to porównanie dla M10, klasa 10.9.
| M10, klasa 10.9 | Japońska tabela dostawcy (MISUMI, Yura Sansyo) | Tabela Würth według VDI 2230 (µG = µK = 0,12) |
|---|---|---|
| Wielkość odniesienia | Górna granica siły napięcia wstępnego = 70% siły na granicy plastyczności (Rp0,2 min × As, samo rozciąganie) | 90% wykorzystania granicy plastyczności przez naprężenie zredukowane od rozciągania i skręcania podczas dokręcania |
| Co oznacza wartość w tabeli | Moment dla środka zakresu (rozrzut Q = 1,4 już uwzględniony) | Moment dla maksymalnej montażowej siły napięcia wstępnego FM Tab; dolną granicę zakresu uzyskuje się dopiero po podzieleniu przez αA, a wymaganą siłę minimalną trzeba sprawdzić osobno |
| Siła napięcia wstępnego | Środek ok. 32,7 kN (zakres 27,3–38,2 kN) | FM Tab = 43,4 kN |
| Moment dokręcania | 55,6 N·m | 71 N·m |
Oba podejścia są spójne, ale nie wolno ich mieszać. Wartość z tabeli Würth zastosowana w japońskiej maszynie może zbliżyć śrubę do granicy plastyczności bardziej, niż przewidział konstruktor. Z kolei to, czy 55,6 N·m zapewni wymaganą minimalną siłę montażową w połączeniu zaprojektowanym według VDI 2230, zależy od tarcia i współczynnika dokręcania i nie da się tego rozstrzygnąć samym porównaniem tabel. W maszynach japońskich obowiązuje więc wartość producenta, a w razie rozbieżności założenia trzeba wyjaśnić z producentem.
Niektóre tabele wychodzą z zupełnie innych założeń. Japoński producent narzędzi dynamometrycznych Tohnichi publikuje „standardowy moment dokręcania (seria T)”, obliczony przy K = 0,2 tak, aby naprężenie osiowe w przekroju czynnym wyniosło 210 N/mm². Nie wynika on z granicy plastyczności danej klasy, tylko jest propozycją ujednolicenia momentów w miejscach bez wartości zadanej. W poradniku Tohnichi wartość serii T dla M10 to 24,5 N·m, mniej niż połowa 55,6 N·m dla 10.9 z rysunku 4. Tabele różnią się więc zależnie od źródła i żadna z nich nie jest „jedyną właściwą wartością”.
Zasada jest prosta: stosuj rysunek konstrukcyjny, wartość producenta maszyny lub normę zakładową. Jeśli połączenie krytyczne nie ma wartości zadanej albo Twoje warunki nie odpowiadają założeniom tabeli, zapytaj konstruktora, zamiast wybierać liczbę z tabeli.
Dokręcanie momentem, kątem i do granicy plastyczności według JIS B 1083
JIS B 1083:2008 wymienia trzy typowe metody kontroli dokręcania: momentem, kątem obrotu oraz metodę gradientu momentu, która odpowiada dokręcaniu do granicy plastyczności w VDI 2230. Różnią się tym, jaki sygnał kończy dokręcanie. Rysunek 5 zestawia te trzy metody.
Współczynnik dokręcania Q to stosunek maksymalnej do minimalnej siły napięcia wstępnego (porównywalny z αA); im mniejsze Q, tym mniejszy rozrzut.
Wartości Q to wartości orientacyjne z tablicy 2 normy JIS B 1083:2008. Norma zaznacza, że rzeczywisty rozrzut silnie zależy od czynników właściwych dla danej metody i nie da się go podać dokładnie.
Najczęściej stosuje się dokręcanie momentem. Wymaga tylko klucza dynamometrycznego, ale jak pokazano wyżej, zależy bezpośrednio od tarcia. Podstawą stabilnej siły napięcia wstępnego są jednakowe powierzchnie śrub i nakrętek oraz powtarzalne smarowanie.
Błędy wnoszą też narzędzia. JIS B 1083 wyznacza moment docelowy z uwzględnieniem rozrzutu narzędzia i w uwagach powołuje ówczesną JIS B 4650 (klucze dynamometryczne) z błędem ±3%, a dla precyzyjnych kluczy ze wskaźnikiem ±1%. JIS B 4650 wycofano w 2008 roku. Obecna JIS B 4652:2008 (ręczne narzędzia dynamometryczne, wymagania i metody badań) dopuszcza ±4% lub ±6%, zależnie od typu narzędzia i momentu maksymalnego.
W Europie dopuszczalne odchyłki według typu i klasy narzędzia określa ISO 6789-1:2017 (w Polsce PN-EN ISO 6789-1), a wzorcowanie ISO 6789-2. W danych producentów kluczy zatrzaskowych zgodnych z tą normą spotyka się zwykle ±4%, czasem ±6%; dokładną odchyłkę sprawdź dla danego typu i klasy narzędzia. Klucze dynamometryczne należy regularnie wzorcować i dobierać do nich odpowiedni zakres pomiarowy.
Dokręcanie kątem w zakres plastyczny i metodę gradientu stosuje się tam, gdzie potrzebna jest duża siła przy małym rozrzucie, np. w silnikach samochodowych. JIS B 1083 ostrzega jednak, że śruba odkształca się wtedy trwale, więc przy małej ciągliwości lub ponownym użyciu potrzebna jest ostrożność. O tym, czy śruby dokręcane kątem można użyć ponownie, decyduje instrukcja obsługi technicznej producenta maszyny.
Dlaczego śruby luzują się mimo prawidłowego momentu
W japońskiej literaturze technicznej „luzowanie” (緩み, yurumi) oznacza każdą utratę siły napięcia wstępnego nadanej przy dokręcaniu. Obejmuje to nakrętki, które się odkręcają, ale też połączenia tracące siłę, choć nakrętka się nie poruszyła. Pierwszy przypadek to samoodkręcanie (luzowanie z obrotem), drugi to utrata siły bez obrotu, np. przez osiadanie, wgniatanie powierzchni oporowej, pełzanie lub wpływ temperatury. Rysunek 6 pokazuje najważniejsze formy.
Luzowanie bez obrotu nakrętki i z obrotem ma różne przyczyny i różne sposoby zapobiegania.
Na podstawie poradnika śrubowego Yura Sansyo i materiałów technicznych Hard Lock Industry. Siłę napięcia wstępnego zmniejszają też powtarzające się rozszerzalność cieplna i pełzanie uszczelek.
Osiadanie początkowe to typowa forma luzowania bez obrotu. Tuż po dokręceniu siła jest prawidłowa, a potem spada, gdy powierzchnie styku osiadają. Jednym ze środków jest ponowne dokręcenie po pewnym czasie (増し締め, mashijime), ale to, czy i kiedy jest potrzebne, określa zwykle instrukcja stanowiskowa danej instalacji lub maszyny.
Samoodkręcanie występuje w połączeniach poddanych powtarzającym się obciążeniom zewnętrznym. Według Hard Lock Industry, japońskiego producenta nakrętek zabezpieczających, spośród rozciągania, skręcania i ścinania najgroźniejsze są powtarzające się obciążenia poprzeczne do osi śruby (ścinające). Gdy części zaczynają minimalnie się przesuwać, nakrętka jest zabierana i się odkręca.
Podstawowym środkiem jest siła napięcia wstępnego, która nie pozwala częściom się przesuwać. Konstruktorzy dodatkowo zwiększają liczbę śrub, aby zmniejszyć obciążenie na jedną śrubę, albo tak kształtują konstrukcję, żeby obciążenie zewnętrzne nie działało bezpośrednio na śruby. Uzupełniająco stosuje się zabezpieczenie dobrane do połączenia, np. przeciwnakrętkę, nakrętkę koronową z zawleczką, klej do gwintów lub nakrętkę samozabezpieczającą.
Dla przeciwnakrętki z nakrętką niską JIS B 1052-2:2014 określa kolejność: najpierw dokręca się nakrętkę niską, potem kontruje ją nakrętką zwykłą lub wysoką.
Dlaczego śruby pękają: przeciągnięcie, zmęczenie, pękanie opóźnione
Pęknięcia śrub łatwiej zdiagnozować, gdy rozdzieli się je według momentu wystąpienia i przyczyny. Są to przeciągnięcie przy montażu, pęknięcie zmęczeniowe od powtarzających się obciążeń w eksploatacji oraz pękanie opóźnione, które pojawia się nagle po pewnym czasie od dokręcenia. Rysunek 7 zestawia te trzy przypadki.
Kiedy śruba pękła i jak była obciążona, to pierwsze wskazówki co do przyczyny.
Na podstawie JIS B 1083:2008, ISO 4042:2022 i materiałów technicznych Hard Lock Industry. W praktyce często działa kilka czynników naraz, a przyczynę można ustalić dopiero po badaniu przełomu.
Przeciągnięcie przy dokręcaniu
Po przekroczeniu granicy plastyczności śruba odkształca się plastycznie, a dalsze dokręcanie ją zrywa. Jeśli słabszą stroną jest nakrętka lub gwint wewnętrzny, zamiast tego może zostać ścięty gwint. Jak pokazuje rysunek 3, moment przewidziany dla gwintu suchego, zastosowany do śruby z nieprzewidzianym smarem, daje większą siłę niż zakładano i zbliża połączenie do takiego uszkodzenia.
Pęknięcie zmęczeniowe
W połączeniach z powtarzającymi się obciążeniami zewnętrznymi część zmienności obciążenia trafia do śruby. Przy wystarczającej sile napięcia wstępnego ten udział jest mały. Jeśli siła jest za mała lub połączenie się poluzuje, części się rozwierają i cała zmienność obciążenia przechodzi na śrubę.
Pęknięcia zmęczeniowe zaczynają się tam, gdzie koncentrują się naprężenia. Hard Lock Industry wskazuje dno pierwszego zwoju śruby współpracującego z nakrętką, wybieg gwintu i przejście między łbem a trzpieniem. Luzowanie i pękanie nie są więc odrębnymi problemami: utrata siły przez luzowanie może zapoczątkować pęknięcie zmęczeniowe.
Pękanie opóźnione i śruby 12.9 z powłoką galwaniczną
Pękanie opóźnione (遅れ破壊, okure hakai) to nagłe kruche pęknięcie po pewnym czasie od dokręcenia, w śrubie, która przy montażu nie budziła zastrzeżeń. ISO 4042:2022 (w Polsce PN-EN ISO 4042), dotycząca galwanicznych systemów powłok na elementach złącznych, obejmuje pęknięcia spowodowane wodorem pochłoniętym podczas powlekania (wewnętrzna kruchość wodorowa).
Ryzyko powstaje, gdy jednocześnie występują trzy warunki: wysoka wytrzymałość lub twardość, naprężenie rozciągające i wodór pochłonięty przez stal. Wodór wnika podczas powlekania galwanicznego lub poprzedzającego je trawienia, a twardsza stal jest bardziej wrażliwa. Dlatego norma stopniuje wymagania według klasy.
Japonia znowelizowała JIS B 1044 w lutym 2024 roku jako identyczne przyjęcie (IDT) ISO 4042:2022. Dla śrub według ISO 898-1 tablica 3 ISO 4042:2022 dzieli wymagania tak:
- Poniżej 10.9: nie jest wymagana dodatkowa weryfikacja procesu, badanie wyrobu ani wygrzewanie.
- 10.9: dodatkowa weryfikacja procesu i badanie wyrobu albo wygrzewanie (do wyboru przez producenta).
- 12.9: dodatkowa weryfikacja procesu i badanie wyrobu oraz wygrzewanie.
Wygrzewanie oznacza tu nagrzewanie po powlekaniu w celu usunięcia wodoru (odwodorowanie). Temperaturę i czas ustalają galwanizernia i producent śrub na podstawie zaleceń normy, twardości części i rodzaju powłoki. Użytkownik nie powinien ustalać tych parametrów samodzielnie.
Liczy się też obróbka wstępna. Załącznik poprzedniej JIS B 1044:2001 odradzał trawienie kwasem części o twardości od 385 HV lub od klasy 12.9 i zalecał metody bez kwasu, np. obróbkę strumieniowo-ścierną lub alkaliczne usuwanie rdzy. Ten sam załącznik ostrzegał, by nie zakładać, że zalecane wygrzewanie w każdym przypadku zapobiega kruchości wodorowej. JIS B 1051:2014 wymaga ponadto, by przy stosowaniu 12.9 uwzględnić możliwości producenta, środowisko pracy i metodę dokręcania.
JIS B 1051 zaznacza również, że zależnie od środowiska nawet śruby bez powłoki mogą ulec pękaniu opóźnionemu, bo wodór może wnikać także przez korozję w czasie eksploatacji. Z tych powodów niektórzy producenci w ogóle nie powlekają galwanicznie śrub 12.9. Japońska baza Failure Knowledge Database opisuje przypadek śrub wysokiej wytrzymałości, które pękły przez kruchość wodorową, bo pominięto odwodorowanie po powlekaniu. Nie kupuj więc czernionych śrub 12.9, żeby samemu zlecić ich ocynkowanie; jeśli potrzebna jest ochrona przed korozją, zapytaj producenta śrub.
Alternatywą są powłoki płatkowe cynkowe (JIS B 1046:2020; w Europie obejmuje je ISO 10683, w Polsce PN-EN ISO 10683). Przy nakładaniu bez elektrolizy nie powstaje wodór, ale obróbkę wstępną i wnikanie wodoru w eksploatacji trzeba ocenić osobno. Norma JIS wskazuje zastosowanie zwłaszcza w elementach złącznych wysokiej wytrzymałości, o wytrzymałości na rozciąganie od 1000 MPa, aby uniknąć ryzyka kruchości wodorowej. Oprócz zmiany powłoki można też rozważyć zejście o jedną klasę i uzyskanie potrzebnej siły przez większy rozmiar lub więcej śrub.
Lista kontrolna przed dokręcaniem
Przed dokręcaniem przejdź przez poniższe kroki po kolei. Chodzi nie tylko o znalezienie wartości momentu, ale też o sprawdzenie warunków, na których ta wartość się opiera.
Zacznij od szukania wartości zadanej. Jeśli warunki się nie zgadzają, wróć z pytaniem do konstruktora.
Jeśli nie ma wartości zadanej albo rzeczywiste warunki do niej nie pasują, nie wybieraj wartości samodzielnie z tabeli. Zapytaj konstruktora lub producenta maszyny.
Po stronie konstrukcji moment podany na rysunku znacznie trudniej źle odczytać, jeśli obok liczby podano też klasę, powłokę i smarowanie. W utrzymaniu ruchu i montażu zmiana smaru albo śruba zamienna mogą niezauważenie zmienić współczynnik momentu. Zmiana powłoki oznacza, że moment trzeba ponownie ocenić, dlatego zmiany części należy uzgadniać z działem konstrukcyjnym.
Przy montażu seryjnym pomaga PFMEA (FMEA procesu), która pozwala zebrać, do czego może doprowadzić pominięta lub niedokręcona śruba. Na tej podstawie tolerancje momentu, częstotliwość sprawdzania narzędzi i zakres zapisów można dopasować do ryzyka.
Czynności dokręcania w utrzymaniu ruchu warto uwzględnić w zakładowych instrukcjach BHP, opracowanych na podstawie dokumentacji producenta i oceny ryzyka. Ogólne obowiązki pracodawcy dotyczące użytkowania maszyn określa w Polsce m.in. rozporządzenie Ministra Gospodarki z 30 października 2002 r. w sprawie minimalnych wymagań BHP w zakresie użytkowania maszyn. Ten artykuł nie zastępuje instrukcji stanowiskowych.
Pytania do japońskiego dostawcy lub producenta maszyny
Poniższe pytania dotyczą punktów, w których japońskie dane i europejska praktyka najczęściej się rozchodzą. Przydają się zarówno przy odbiorze maszyny, jak i przy planowaniu utrzymania ruchu.
- Jaki moment dokręcania (lub kąt) jest zadany dla tego połączenia i w którym dokumencie jest podany?
- Jaką klasę mają śruby i nakrętki i czy możemy użyć innej klasy albo śruby według PN-EN ISO z naszego magazynu?
- Czy moment dotyczy gwintu suchego czy smarowanego? Jeśli smarowanego, to jakim środkiem i w którym miejscu?
- Jaką powłokę mają śruby (bez powłoki, czernione, ocynkowane galwanicznie, płatkowa cynkowa)? Czy moment zmienia się przy innej powłoce?
- Na jakiej podstawie wyznaczono moment (np. 70% granicy plastyczności czy obliczenie według VDI 2230 ze współczynnikiem tarcia µ)?
- Czy łby sześciokątne mają rozwartość klucza według ISO, czy wykonanie JIS (np. S = 16 czy S = 17 na M10)?
- Czy po początkowym osiadaniu połączenia przewidziano ponowne dokręcanie? Jeśli tak, po jakim czasie i jakim momentem?
- Czy śruby dokręcane kątem można użyć ponownie, czy trzeba je wymienić?
- Dla 12.9: czy dopuszczalna jest powłoka galwaniczna? Jeśli tak, czy przeprowadzono i udokumentowano dodatkową weryfikację procesu, badanie wyrobu oraz wygrzewanie?
Przykładowe zapytanie e-mail
Poniższy wzór można wysłać do japońskiego producenta lub jego europejskiego przedstawicielstwa, w razie potrzeby po przetłumaczeniu na uzgodniony język korespondencji.
Temat: Moment dokręcania dla [typ maszyny], [zespół]
Szanowna Pani / Szanowny Panie [nazwisko],
przygotowujemy instrukcje utrzymania ruchu dla [typ maszyny, nr seryjny]. Rysunek [nr] podaje dla [zespół] śruby M10 klasy 12.9, ale nie znaleźliśmy momentu dokręcania. Prosimy o potwierdzenie:
1. Zadanego momentu dokręcania lub kąta oraz dokumentu, w którym jest określony
2. Czy wartość dotyczy gwintu suchego czy smarowanego, a jeśli smarowanego, to jakim środkiem
3. Powłoki śrub oraz tego, czy dopuszczalna jest inna powłoka lub klasa
4. Czy śruby po odkręceniu można użyć ponownie
Dziękujemy za pomoc.
Z poważaniem
[imię i nazwisko, firma]
Ograniczenia tego poradnika
Wartości i tabele w tym artykule to przykłady przy podanych założeniach. W poniższych przypadkach obowiązują dodatkowe lub inne zasady.
- Wartości zadane mają zawsze pierwszeństwo. Rysunki, dokumentacja producenta i normy zakładowe są ważniejsze niż tabele i obliczenia z tego artykułu.
- Śruby ze stali nierdzewnej i metali nieżelaznych podlegają innym normom (dla stali nierdzewnej JIS B 1054-1, czyli ISO 3506-1) i mają inne warunki tarcia.
- Połączenia w konstrukcjach stalowych (zestawy śrubowe wysokiej wytrzymałości do sprężania w budynkach i mostach, w Europie m.in. według PN-EN 14399 i PN-EN 1090-2) mają własne normy i procedury dokręcania, których ten artykuł nie obejmuje.
- Urządzenia ciśnieniowe i kołnierze rurociągów mogą mieć wymagania dotyczące siły w śrubach wynikające z własnych przepisów i danych uszczelek. Obowiązuje specyfikacja techniczna projektu.
- Porównanie z VDI 2230: wartości Würth dotyczą podanych tam wymiarów łbów według PN-EN ISO 4014–4018 i temperatury pokojowej. Artykuł nie zastępuje obliczenia połączenia według VDI 2230.
- Normy się zmieniają. Wartości pochodzą z wydań podanych w źródłach. Przed wpisaniem ich do specyfikacji sprawdź aktualne wydanie.
FAQ
Czy śruba JIS to to samo co śruba według PN-EN ISO?
Pod względem wytrzymałości tak: JIS B 1051:2014 jest identycznym japońskim odpowiednikiem ISO 898-1:2013, więc śruba 10.9 według JIS ma te same wymagane właściwości co 10.9 według PN-EN ISO 898-1. Wymiary mogą się jednak różnić. JIS B 1180 nadal ma załącznik ze śrubami sześciokątnymi w wykonaniu JIS, których łby dla M10, M12, M14 i M22 (sprawdzone w wydaniach z 1994 i 2004 roku) mają inną rozwartość klucza niż według ISO 4014.
Czym różni się klasa 8.8 od 10.9?
Śruba 10.9 ma minimalną wytrzymałość na rozciąganie 1040 N/mm² i minimalną umowną granicę plastyczności 940 N/mm², wobec 800–830 N/mm² i 640–660 N/mm² dla 8.8. W przykładzie z rysunku 4 dla M10 w tych samych warunkach wychodzi 55,6 N·m dla 10.9 wobec 37,9 N·m dla 8.8. Klasa 10.9 wymaga też nakrętki klasy 10 lub wyższej oraz ostrzejszych środków przeciw kruchości wodorowej przy powłoce galwanicznej.
Dlaczego japońskie tabele dostawców podają niższe momenty niż tabela Würth według VDI 2230?
Bo tabele podają różne wielkości. Tabele MISUMI i Yura Sansyo przyjmują K = 0,17 (stal bez powłoki, z olejem), 70% siły na granicy plastyczności jako górną granicę i Q = 1,4, i celują w środek zakresu. Tabela Würth według VDI 2230 podaje moment dla maksymalnej montażowej siły napięcia wstępnego przy 90% wykorzystania granicy plastyczności przez naprężenie zredukowane, dla M10 10.9 przy µ = 0,12 jest to 71 zamiast 55,6 N·m. Inne japońskie tabele, np. seria T Tohnichi, mają jeszcze inne założenia. Porównuj założenia, a nie same liczby, i trzymaj się wartości zadanej.
Czy dla bezpieczeństwa mogę dać 12.9 zamiast 10.9?
Nie bez zgody konstruktora. Klasa 12.9 ma mniejszą zdolność do odkształceń, JIS B 1051 zaleca ostrożność przy jej stosowaniu ze względu na pękanie opóźnione, a przy tej samej średnicy i tym samym współczynniku momentu ten sam moment daje obliczeniowo tę samą siłę napięcia wstępnego niezależnie od klasy. Sama zmiana na 12.9 nie zwiększa więc siły napięcia. Śruby 12.9 z powłoką galwaniczną wymagają według ISO 4042 dodatkowych środków.
W japońskiej maszynie na M10 pasuje tylko klucz 17. Czy to zła śruba?
Niekoniecznie. Często jest to śruba w wykonaniu JIS z dawną rozwartością klucza 17, taką samą jak w wycofanych DIN 931/933, ale sam rozmiar klucza nie wystarcza do ustalenia normy wyrobu. Klasa właściwości się przez to nie zmienia. Przy zamawianiu części zamiennych wyjaśnij jednak, czy dopuszczalne są śruby ISO z S = 16 i czy inna powierzchnia oporowa zmienia moment dokręcania.
Źródła
- Oznaczenie, znakowanie i uwaga dotycząca 12.9: JIS B 1051:2014, właściwości mechaniczne części złącznych ze stali węglowej i stopowej, śruby o określonych klasach właściwości (identyczna z ISO 898-1:2013, po japońsku); Japanese Standards Association, karta JIS B 1051:2014 (po japońsku); ISO 898-1:2013 (po angielsku)
- Właściwości mechaniczne według klas: JIS B 1051:2014, tablica 3 (jw.); Nippon Fastener, tabela specyfikacji (po japońsku); Yura Sansyo, poradnik śrubowy, właściwości mechaniczne (2) (po japońsku)
- Klasy i dobór nakrętek: Yura Sansyo, oznaczanie klas śrub i nakrętek stalowych (po japońsku); JIS B 1052-2:2014, nakrętki o określonych klasach właściwości (ISO 898-2:2012, po japońsku)
- Wymiary śrub sześciokątnych: JIS B 1180:2014, podgląd Japanese Standards Association (po japońsku); Global Fastener, tabele załącznika JIS B 1180 (po angielsku); Wermac, wymiary śrub sześciokątnych (DIN 931 / ISO 4014) (po angielsku); Kramp, uwaga o zmianie rozwartości klucza DIN 931 → ISO 4014 (po angielsku)
- Śruby ze stali nierdzewnej: JIS B 1054-1:2013, części złączne ze stali nierdzewnej, część 1 (ISO 3506-1:2009, po japońsku)
- Zależność moment–siła i metody dokręcania: JIS B 1083:2008, ogólne zasady dokręcania połączeń gwintowych (po japońsku); TONE, metody kontroli dokręcania (po japońsku); Ikeda Kinzoku, metody kontroli dokręcania (po japońsku)
- Współczynniki momentu, współczynniki dokręcania, wzór i tabele referencyjne, rodzaje luzowania: Yura Sansyo, prawidłowe dokręcanie połączeń gwintowych; Yura Sansyo, właściwości mechaniczne i referencyjne momenty dokręcania; MISUMI, właściwa siła napięcia i moment dokręcania (wszystkie po japońsku)
- Montażowe siły napięcia i momenty według VDI 2230, klasy współczynników tarcia, współczynnik αA: Würth Industrie Service, DINO rozdział 6, część techniczna, punkt 6.3 i tabela 6.4 (90% wykorzystania, wiersz M10) (po niemiecku); VDI 2230 Blatt 1:2015-11, spis treści (po niemiecku)
- Standardowy moment dokręcania (seria T): Tohnichi FAQ; Tohnichi, poradnik momentów, rozdział 2 (po japońsku)
- Tolerancje ręcznych narzędzi dynamometrycznych: JIS B 4652:2008, ręczne narzędzia dynamometryczne, wymagania i metody badań (po japońsku); dane producentów o zgodności z ISO 6789-1:2017, np. RS Components, klucz dynamometryczny Facom ±4% (po polsku)
- Luzowanie i pęknięcia zmęczeniowe: Hard Lock Industry, dlaczego połączenia gwintowe się luzują; Hard Lock Industry, jak luzowanie prowadzi do pęknięcia zmęczeniowego (po japońsku)
- Powłoki galwaniczne i kruchość wodorowa: ISO 4042:2022, części złączne, galwaniczne systemy powłok; karta JIS B 1044:2024 (identyczna z ISO 4042:2022, po japońsku); JIS B 1044:2001 (poprzednie wydanie) (po japońsku)
- Powłoki płatkowe cynkowe: JIS B 1046:2020, nieelektrolitycznie nakładane powłoki płatkowe cynkowe na części złączne (po japońsku)
- Ograniczenia powlekania 12.9 i opis awarii: Nippon Fastener, pytania i odpowiedzi; Failure Knowledge Database, pęknięcie ocynkowanych śrub wysokiej wytrzymałości przez kruchość wodorową (po japońsku)
- BHP przy użytkowaniu maszyn: prawo.pl, minimalne wymagania BHP dla maszyn (rozporządzenie z 30.10.2002) (po polsku)
Oryginalny artykuł po japońskuTen poradnik powstał na podstawie artykułu MONOSCOPE napisanego dla czytelników w Japonii: ボルトの強度区分と締付トルクの決め方｜8.8・10.9・12.9の疑問9つ
O redakcji
Redakcja MONOSCOPEFOUNDER & EDITOROkoło dziesięciu lat pracy u producenta urządzeń przemysłowych i w firmie inżynieryjnej realizującej instalacje: oferty, projektowanie i uruchamianie urządzeń, a następnie przejście do marketingu internetowego. Obecnie doradztwo internetowe dla producentów B2B i pomoc w przystępnym przedstawianiu ich produktów i technologii. Japońskie państwowe uprawnienia Energy Manager oraz głównego inżyniera elektryka trzeciej klasy.
Od 2017 roku prowadzenie bloga inżynierskiego (ponad 500 artykułów) i japońskojęzycznego kanału na YouTube z około 20 000 subskrybentów. Każdy poradnik powstaje z perspektywy japońskiej hali produkcyjnej i jest weryfikowany z przywołanymi normami.
