Lực siết bulong tiêu chuẩn – Cách tính và bảng tra lực siết bu lông

Lực siết bu lông là một yếu tố quan trọng trong kỹ thuật cơ khí, liên quan đến việc tạo ra một liên kết chắc chắn giữa các chi tiết máy thông qua việc sử dụng bu lông và đai ốc. Bài viết sau đây là những thông tin chi tiết về tiêu chuẩn lực siết bu lông, cách tính toán và bảng tra lực siết bu lông chính xác.

1. Lực siết bu lông là gì?

Trong thực tế, các cụm từ lực siết bu lông, lực xiết bulong, mô-men siết bu lông thường được sử dụng thay thế cho nhau. Tuy nhiên, xét về kỹ thuật, cần phân biệt ba khái niệm.

Khi siết bu lông, mô-men làm bu lông quay và kéo giãn trong giới hạn đàn hồi. Sự kéo giãn này tạo ra lực căng trong bu lông, đồng thời tạo lực kẹp lên các chi tiết được liên kết.

Có thể hiểu đơn giản theo trình tự:

Mô-men siết → bu lông được kéo giãn → hình thành lực căng ban đầu → tạo lực kẹp lên mối ghép.

Atlas Copco cũng phân biệt rõ lực căng ban đầu là lực kéo sinh ra trong bu lông, còn lực kẹp là lực nén mà bu lông tác động lên các chi tiết của mối ghép.

Vì vậy, mục tiêu cuối cùng của quá trình siết không phải đạt được một con số Nm càng lớn càng tốt, mà là tạo đủ lực kẹp để mối ghép làm việc an toàn mà không làm bu lông bị quá tải hoặc biến dạng dẻo.

Tham khảo thêm: Kinh nghiệm mua mấy siết bu lông pin phù hợp

2. Tiêu chuẩn lực siết bulong

Một điểm thường gây nhầm lẫn là không phải tiêu chuẩn nào đề cập đến bu lông cũng là “tiêu chuẩn lực siết bu lông”.

Các tiêu chuẩn có thể quy định những vấn đề rất khác nhau như cơ tính, cấp bền, kích thước, hình dạng, thử nghiệm quan hệ mô-men – lực kẹp hoặc yêu cầu lắp ráp.

TCVN 1916:1995

TCVN 1916:1995 – Bu lông, vít, vít cấy và đai ốc – Yêu cầu kỹ thuật hiện vẫn được Viện Tiêu chuẩn Chất lượng Việt Nam ghi nhận là còn hiệu lực.

Tiêu chuẩn áp dụng cho bu lông, vít, vít cấy và đai ốc có ren hệ mét với đường kính ren từ 1 đến 48 mm. Nội dung quy định các yêu cầu kỹ thuật như cơ tính, vật liệu, bề mặt và các yêu cầu liên quan đến chi tiết kẹp chặt.

Điểm cần lưu ý:

TCVN 1916:1995 không nên được sử dụng làm nguồn trực tiếp cho một bảng mô-men siết rồi gọi đó là “bảng lực siết theo TCVN 1916:1995”.

Vai trò phù hợp hơn của tiêu chuẩn này trong chủ đề lực siết là giúp xác định các đặc tính kỹ thuật và cấp bền của bu lông.

TCVN 8298:2009

TCVN 8298:2009 – Công trình thủy lợi – Yêu cầu kỹ thuật trong chế tạo và lắp ráp thiết bị cơ khí, kết cấu thép hiện cũng đang còn hiệu lực. Tiêu chuẩn áp dụng cho thiết bị cơ khí, kết cấu thép và các kết cấu liên kết bằng bu lông thuộc phạm vi công trình thủy lợi, thủy điện và một số ứng dụng liên quan.

Quan trọng đối với bài viết này là:

Phụ lục C – Bu lông lắp ghép

có:

Bảng C.1 – Yêu cầu về lực xiết bu lông trong quá trình lắp đặt.

Phụ lục C được ghi rõ là “Tham khảo”, do đó các giá trị không nên được hiểu thành quy định mô-men bắt buộc cho mọi bu lông trong mọi ngành.

ISO 898-1

ISO 898-1:2013 quy định cơ tính và tính chất vật lý của bu lông, vít và vít cấy bằng thép carbon hoặc thép hợp kim với các cấp bền xác định.

Tiêu chuẩn này áp dụng cho ren hệ mét bước thô từ M1,6 đến M39 và một số ren bước mịn từ M8 đến M39.

Đặc biệt, ISO nêu rõ ISO 898-1 không quy định hiệu năng mô-men/lực kẹp. ISO dẫn sang ISO 16047 đối với phương pháp thử quan hệ này.

Do đó:

ISO 898-1 liên quan đến cấp bền và cơ tính của bu lông, không phải một bảng lực siết chung.

ISO 16047

Nếu xét trực tiếp quan hệ giữa mô-men siết và lực kẹp thì ISO 16047:2005 – Fasteners — Torque/clamp force testing phù hợp hơn.

Tiêu chuẩn quy định điều kiện tiến hành thử nghiệm mô-men/lực kẹp đối với bu lông, vít, vít cấy, đai ốc và các chi tiết ren liên quan; về cơ bản áp dụng cho ren hệ mét M3 đến M39 trong phạm vi tiêu chuẩn.

Đây cũng là lý do không thể chỉ nhìn đường kính và cấp bền rồi coi một giá trị mô-men là tuyệt đối cho mọi điều kiện sử dụng.

ASTM A325 và ASTM F3125/F3125M

ASTM A325 trước đây được sử dụng cho bu lông kết cấu cường độ cao nhưng đã bị rút vào năm 2016.

ASTM hiện ghi nhận A325 đã được thay thế và hợp nhất vào ASTM F3125/F3125M. Phiên bản hiện hành bao gồm các yêu cầu hóa học, vật lý và cơ tính cho bu lông kết cấu cường độ cao; Grade A325 vẫn tồn tại trong hệ tiêu chuẩn mới.

Vì vậy, khi cập nhật tài liệu kỹ thuật hiện nay nên tham chiếu ASTM F3125/F3125M thay vì trình bày ASTM A325 như một tiêu chuẩn độc lập đang còn hiệu lực.

DIN 933

DIN 933 thường xuất hiện trong các bài viết về bu lông, nhưng đây cũng không phải tiêu chuẩn lực siết.

DIN 933 quy định loại bu lông/vít đầu lục giác có ren đến sát đầu. Tiêu chuẩn DIN 933 cũ đã được rút và hệ tiêu chuẩn tương ứng đã chuyển sang ISO 4017/DIN EN ISO 4017.

Do đó không nên mô tả DIN 933 là tiêu chuẩn quy định lực siết hoặc bu lông “đầu tròn”.

Tham khảo thêm: Cách tháo bu lông bị toét đầu

3. Cách tính lực siết bu lông

3.1 Công thức tính lực siết bu lông

Để tính lực siết ốc chính xác, chúng ta cần dựa vào công thức liên quan giữa mô-men xoắn và lực siết. Công thức cơ bản được sử dụng rộng rãi trong ngành cơ khí như sau:

Trong đó:

• T: Mô-men xoắn (Newton mét – Nm) cần thiết để siết bu lông
• K: Hệ số ma sát, thường nằm trong khoảng từ 0.15 đến 0.25 tùy vào loại bu lông và điều kiện bề mặt (bôi trơn hoặc không bôi trơn)
• D: Đường kính danh nghĩa của bu lông (mét)
• F: Lực siết (Newton – N), đây là lực căng tạo ra khi siết bu lông

Ví dụ: để tính mô-men xoắn cần thiết cho một bu lông có đường kính 10mm và yêu cầu lực siết là 2000N với hệ số ma sát K = 0.2, ta áp dụng công thức trên:

$$T=0.2\times 0.01\times 2000=4\text{Nm}$$

Kết quả này cho biết bạn cần dùng mô-men xoắn 4Nm để đạt được lực siết 2000N cho bu lông có đường kính 10mm với hệ số ma sát 0.2.

3.2 Yếu tố ảnh hưởng đến lực siết

Độ bền bu lông

Độ bền của bu lông được phân loại theo cấp độ, mỗi cấp độ yêu cầu một mức lực siết tương ứng. Cấp độ bu lông thường được quy định bởi các con số như 8.8, 10.9, 12.9, biểu thị độ bền kéo của bu lông. Lực siết cần thiết sẽ thay đổi tùy vào cấp độ và kích thước bu lông.

Các cấp độ bền phổ biến bao gồm:

• Cấp bền 4.6: Độ bền kéo tối thiểu 400 MPa, giới hạn chảy 240 MPa
• Cấp bền 8.8: Độ bền kéo tối thiểu 800 MPa, giới hạn chảy 640 MPa
• Cấp bền 10.9: Độ bền kéo tối thiểu 1000 MPa, giới hạn chảy 900 MPa
• Cấp bền 12.9: Độ bền kéo tối thiểu 1200 MPa, giới hạn chảy 1080 MPa

Trong đó:

• Độ bền kéo: Là lực tối đa mà bu lông có thể chịu đựng trước khi bị đứt. Độ bền kéo được xác định bằng đơn vị N/mm² (Megapascal)
• Giới hạn chảy: Là mức ứng suất tại đó vật liệu bắt đầu bị biến dạng dẻo. Giới hạn chảy thường được tính theo tỷ lệ phần trăm của độ bền kéo

Tham khảo thêm: Cách sử dụng máy siết bu lông hiệu quả

Lực siết tương ứng với các cấp độ bền bu lông

Dưới đây là bảng tra lực siết bu lông (đai ốc) theo các cấp độ bền phổ biến, được quy định bởi tiêu chuẩn TCVN 1916:1995. Bảng này giúp xác định lực siết cần thiết cho các loại bu lông với đường kính khác nhau và cấp độ bền khác nhau.

Bảng tra lực siết bulong theo tcvn 1916:1995

Tham khảo các mẫu máy siết bu lông chính hãng

• Máy vặn mở bu lông Milwaukee
• Máy siết bu lông Bosch pin
• Máy siết bu lông pin Makita

4. Bảng tra lực siết bu lông tiêu chuẩn

Dưới đây là bảng siết lực bulong theo các cấp độ bền và đường kính khác nhau. Bảng này giúp bạn xác định lực siết cần thiết cho từng loại bu lông, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong các ứng dụng cơ khí.

Cách tra lực siết bu lông chính xác

Chỉ cần xác định được độ bền của bu lông. Thì bạn chỉ cần dựa vào bảng ở trên từ cột đường kính kéo thẳng theo chiều ngang sang cột độ bền của bu lông. Và từ cột độ bền kéo thẳng xuống.

Tại ô giao nhau giữa hàng thẳng và ngang chính là lực siết tiêu chuẩn của bu lông đó. Từ đó, bạn chỉ cần chọn thiết bị siết có lực siết phù hợp với lực siết tiêu chuẩn đã tra.

Ví dụ như trên hình:

Đối với bu lông M12, có đai ốc 18, độ bền là 8.8 sẽ có lực siết tiêu chuẩn cần đạt 79Nm

Tương tự với bu lông M16, có đai ốc 24, độ bền là 10.9 thì lực xiết tiêu chuẩn là 291Nm

Tham khảo thêm: Nên mua máy siết bu lông hay máy vặn vít

5. Cách kiểm tra lực siết bu lông sau khi siết

Kiểm tra lực siết sau khi siết bulong là bước quan trọng để đảm bảo rằng bu lông đã được siết đúng lực và đảm bảo an toàn cho hệ thống. Dưới đây là các phương pháp kiểm tra phổ biến:

Kiểm tra bằng cảm quan

Phương pháp này dựa vào kinh nghiệm và cảm nhận của người thực hiện để đánh giá lực siết của bu lông. Mặc dù đơn giản và nhanh chóng, nhưng phương pháp này không chính xác và thiếu tính khách quan.

Kiểm tra bằng thiết bị đo mô men xoắn

Sử dụng các thiết bị đo mô men xoắn để đo lại mô men xoắn của bu lông đã siết chặt. Sau đó, tính ngược lại lực siết của bu lông. Phương pháp này chính xác và khách quan, nhưng có thể tốn thời gian và làm thay đổi lực siết ban đầu.

Kiểm tra bằng thiết bị đo lực căng

Thiết bị đo lực căng được sử dụng để kiểm tra lực căng bu lông sau khi siết. Đây là phương pháp chính xác hơn so với cảm quan vì nó đo trực tiếp lực căng, giúp xác định xem bu lông có đủ độ chặt cần thiết để giữ kết cấu an toàn hay không.

Kiểm tra bằng cờ lê lực

Sử dụng cờ lê lực cầm tay để đo lực siết sau khi ốc đã được siết. Có thể sử dụng cờ lê dạng cơ hoặc loại kết nối kỹ thuật số. Lực sẽ được đọc ngay khi ốc bắt đầu di chuyển lại hoặc khi tháo ốc, thường thì lực tháo ốc sẽ nhỏ hơn khoảng 75% so với lực siết.

Kiểm tra độ dãn của bu lông

Sử dụng các thiết bị đo độ dãn, như đồng hồ so hoặc cảm biến vị trí, để đo độ dãn dài của bu lông khi siết chặt. Phương pháp này cho phép đánh giá chính xác hơn về tình trạng của bu lông nhưng yêu cầu thiết bị có độ nhạy cao.

Tham khảo thêm: Có nên mua máy siết ốc nội địa Trung không?

Toàn bộ nội dung trên Hoàng Long Vũ đã cung cấp chi tiết về khái niệm, cách tính và bảng tra lực siết bu lông tiêu chuẩn cho bạn đọc. Hy vọng sau bài viết bạn đã có thể xác định được chính xác lực siết tiêu chuẩn của ốc đang làm việc.

Mộ số câu hỏi thường gặp của lực xiết bulong

Lực siết bu lông M10 là bao nhiêu?

Theo Bảng C.1 – Phụ lục C TCVN 8298:2009, giá trị tham khảo của M10 là:

8.8: 47,7 N·m
10.9: 67,2 N·m
12.9: 80,6 N·m.

Cần kiểm tra phạm vi ứng dụng trước khi sử dụng.

Lực siết bu lông M12 cấp 8.8 bao nhiêu?

Giá trị trong Bảng C.1 là khoảng:

81,1 N·m.

Lực siết bu lông M16 cấp 10.9 bao nhiêu?

Giá trị tham khảo:

275,8 N·m.

TCVN 1916:1995 có phải tiêu chuẩn lực siết bu lông không?

Không nên gọi như vậy.

TCVN 1916:1995 là tiêu chuẩn về yêu cầu kỹ thuật đối với bu lông, vít, vít cấy và đai ốc, áp dụng cho ren hệ mét trong phạm vi đường kính từ 1 đến 48 mm.

TCVN nào có bảng lực siết bu lông?

TCVN 8298:2009 có Bảng C.1 tại Phụ lục C – Bu lông lắp ghép, cung cấp mô-men xiết tham khảo theo kích thước và cấp bền. Phụ lục C được ghi rõ là tham khảo.

Tại sao bu lông cùng kích thước nhưng lực siết khác nhau?

Vì mô-men còn phụ thuộc vào:

cấp bền, bước ren, ma sát, lớp phủ, tình trạng bôi trơn và lực căng yêu cầu của mối ghép.

Do đó chỉ biết đường kính M10 hay M12 là chưa đủ để xác định chính xác lực siết.

Bu lông đã bôi trơn có dùng cùng lực siết với bu lông khô không?

Không nên mặc định như vậy.

Bôi trơn làm thay đổi ma sát. Khi ma sát giảm, cùng một mô-men có thể tạo lực căng cao hơn. Vì vậy phải sử dụng thông số tương ứng với điều kiện bề mặt thực tế hoặc hướng dẫn của nhà sản xuất.

Máy siết 500 Nm có thể siết bu lông cần 100 Nm không?

Có thể sử dụng máy trong quá trình lắp ráp nếu phù hợp, nhưng không nên coi thông số mô-men cực đại 500 Nm là khả năng kiểm soát chính xác 100 Nm.

Nếu mối ghép yêu cầu 100 Nm chính xác, cần sử dụng phương pháp kiểm soát mô-men cuối phù hợp.