Smörjfett och gänglåsnings påverkan på skruvförband

Examensarbete på Gymnasieingenjörsprogrammet inom Innovation och Produktion 100 gymnasiepoäng Smörjfett och gänglåsnings påverkan på skruvförband Eddie Lager Examinator: Sven I Pettersson Handledare: Erik Thorén Framläggning: 2014-05-20

FÖRORD Jag har läst Gymnasieingenjörsprogrammet vid Bromma Gymnasium inom grenen Innovation och Produktion med inriktningen Konstruktion och Produktutveckling. Inriktningen omfattar fortsättningskurser i CAD (100 gp) och konstruktion (200 gp). Vidare ingår kurser i hållbar miljö (100 gp), produktionsfilosofi (100 gp) och ett större projekt (100 gp) samt en allmän kurs om ingenjörens villkor (200 gp). Utbildningen är ettårig och omfattar även elva veckor praktik, under vilken detta examensarbete (100 gp) har arbetats fram. Jag vill tacka Saab i Järfälla för praktik platsen och de personer som hjälpt mig med arbetet. Tack till Erik Thoren, Bo Wahlberg, Christer Melander, Martin Ringstedt.

SAMMANFATTNING Denna rapport skildrar hur fetter och gänglåsningar påverkar skruvförband. SDS (Security and Defence Solutions) hos Saab i Järfälla har en osäkerhet när det gäller hur just skruvförband påverkas av fetter och gänglåsningar. Efter noggrann planering utfördes ett test som gick ut på att dra skruvar i ett skruvförband. Med hjälp av en kraftgivare kunde man se hur klämkraften blev beroende på vilket fett som användes. Testet begränsade sig till en slags skruv och endast två fetter samt bara en gänglåsning. Det var också endast två material som under testet användes. Testet utgick utifrån frågeställningarna hur klämkraften påverkas när en skruv är fettad och gängsäkrad till skillnad från ofettad, samt hur klämkraften påverkas av vilket material skruvarna skruvas ner i. Ytterligare två frågeställningar som testet utgick ifrån var om det var möjligt att ett smörjfett kunde ersättas av ett annat i produktionen samt om det skulle behövas en åtdragningsuppdatering av instruktionen kring fettade skruvförband. Av resultaten dras slutsatsen att klämkraften påverkas av fett dock ingenting av gänglåsningen. Hur vida materialet skulle påverka klämkraften var det dock svårare att med hjälp av resultaten få en klar slutsats. Det krävs kanske mer djupgående tester kring just materialen för att kunna få svar. Resultaten visar däremot att ett av fetterna faktiskt kan ersätta det andra, då det ena lämpar sig bättre i miljön på SDS. Det är alltså inte en uppdatering av åtdragningen som kanske skulle behövas utan i så fall av vilket fett som används. ABSTRACT This report describes how greases and Loctites affect bolted joints. SDS (Security and Defence Solutions) at Saab in Järfälla have an uncertainty how bolted joints are affected by greases and Loctite s. A test was conducted which aimed to tighten screws in bolted joints. A force sensor was used because the sensor showed how much clamping force the screws pushed with depending what kind of grease that was used. The test was based on the basis of the question how the clamping force is affected when screws are greased and loctited against screws that are not greased at all. Limited to one kind of screw and only two greases. It was also only two materials which were used during the test. The test proceeded by questions how the clamping force affected when a screw is greased and loctited against a screw that are not greased and if the clamping force is influenced by the material screws was screwed down into. Two other questions the test was based on were whether it was possible that one grease could be replaced by an another grease in the production line. Another question that was based on the test was if the tightening force needed to be updated in the instruction around greased bolted joints. From the results it is concluded that the clamping force is affected by fat, however, virtually nothing from Loctite. Why the material would affect the clamping force was unknown. Maybe more tests need to be done. The results show however that one grease actually can replace the other grease, and the other grease are more suitable to the environment on SDS. It is not an update of the tightness that might be needed but maybe a grease update.

INNEHÅLLSFÖRTECKNING INLEDNING... 1 Bakgrund Syfte Avgränsningar Precisering av frågeställningen Förväntad slutprodukt TEORETISK REFERENSRAM... 1 METOD... 2 GENOMFÖRANDE... 2 RESULTAT... 3 DISKUSSION... 4 SLUTSATS... 5 KÄLLFÖRTECKNING BILAGA 1: KALKYLARKET, ALLA VÄRDENA KILONEWTON BILAGA 2: MIKROSKOPBILDER PÅ SKADADE SKRUVAR BILAGA 3: TESTPROTOKOLLET BILAGA 4: RÅ DATABLAD BILAGA 5: TIDIGARE RAPPORT

1.INLEDNING Bakgrund På SDS avdelningen hos Saab i Järfälla fanns det en osäkerhet hur vissa fetter och gänglåsning påverkar skruvförband. Eventuellt behövdes det göras en uppdatering av instruktionen för skruvförband beroende på vilket fett/gänglåsning man använder [3]. Ett tidigare arbete som gjordes på SDS gav inspiration för detta arbete. Det tidigare arbetet gjordes för att se hur en M4 och M3 skruv påverkade en gänga på en aluminium plåt(se Bilaga 5). Resultatet av arbetet väckte intresse för att se hur olika fetter och gänglåsningar påverkar skruvförband. [1] berättade även att ett problem hade uppstått tidigare på Saab där ett fett hade orsakat att flera skruvförband gått sönder även fast de drog med den nominella åtdragningskraften. Det väckte även intresse att se fetternas påverkan på skruvförband. Det fanns inte mycket information på Saab om detta så en undersökning behövde göras. Syfte Syftet med arbetsuppgiften var att ta reda på hur fett och gänglåsning påverkar ett skruvförband. Testet gjordes för att ta reda på om kraven på skruvdragningen måste justeras på produktionen. Avgränsningar Produktion på SDS använder många olika slags fetter samt gänglåsningar. För att fokusera på de fetter och gänglåsningar som används mest valdes två fetter (Aeroshell 33 ms och Molycote 1000) och en gänglåsning (Loctite 243). Ingen ekonomisk bakgrundskontroll har gjorts för att se vad fetterna kostar. Det användes även bara en slags skruv till testerna, och det var M5x30 rostfri klass 80 skruv. Inga hållfastighetsberäkningar samt vridspänningsberäkningar gjordes på skruvarna och plåtarnas gängor. Materialen som användes till testet var rostfritt syrafast stål 2348 och aluminium 6082-T6. Alla avgränsningar gjordes i samråd med [1]. Precisering av frågeställningen Hur påverkas klämkraften på en M5 skruv när den är fettad och gängsäkrad till skillnad från ofettad? Hur påverkas klämkraften på en M5 skruv beroende på vilket material de skruvas ner i? Kan ett smörjfett ersättas med ett annat smörjfett i produktionen på SDS hos Saab i Järfälla? Behövs en åtdragningsuppdatering för fettade skruvförband i instruktion[3] göras på SDS? Förväntad slutprodukt Ett PM med förslag till en förbättring. 2.TEORETISK REFERENSRAM Dragkraftsberäkningar gjordes av bult det vill säga en M5 rostfri klass 80 skruv. Sträckgränsen för en M5 klass 80 rostfri stål skruv är 600 N/mm 2 [7,s.30]. Tvärsnittsarean är 14,2mm 2 [7,s.33]. Information om skruvförband hämtades från [3][4][5][6][7] och även mycket information och hjälp gavs från [1] och [2]. Formeln som användes för att räkna ut dragspänningen i skruvarna är där σ = normalspänning, F = dragkraft/klämkraft, A = tvärsnittsarea Sida 1 av 5

3.METOD Metoden som valdes ger tillförlitliga resultat eftersom det inom testet ingår så pass många skruvdragningar. Man har därmed många värden att utgå ifrån. Metoden är också tillförlitlig då verktygen som används har kalibrerats och uppdateras före och efter skruvomgångarna. Planeringen för testet gjordes i samråd med [1] och [2] samt med hjälp av [3]. Klämkraften på en åtdragen skruv ska jämföras när den är smord mot att den inte är smord, för att se hur fetterna och gänglåsningen påverkar skruvförbandet. Klämkraftsgivaren har bäst noggrannhet enligt [5,s.80] och den metoden valdes att användas. Två plåtar med materialet rostfritt stål syrafast 2348 och Aluminium 6082-T6 valdes i samråd med [1], eftersom det är metaller som är vanligt förekommande i konstruktioner på SDS avdelningen. För att plåtarna skulle anpassas till testet gjordes en CAD ritning på hur plåtarna skulle se ut. De tillverkades sedan på Sundbybergs mekaniska. Det valdes att plåtarna skulle ha (9x4=36 hål) med M5 gängor vardera. Plåtarna tvättades innan användning för att få bort olja/skärvätska. Figur 1: Testupplägget rakt ovanifrån Kraftmätare Momentnyckel Temperatur och luftfuktighetsmätare Test plåt Kraftgivare 4.GENOMFÖRANDE På varje plåt testades de två olika fetterna, Aeroshell 33 ms och Molykote 1000, och gänglåsning, Loctite 243, samt en osmord skruvomgång. För att få mycket data så valdes det att göra 45 inskruvningar per skruvomgång. Bara skruvens gänga fettades för att efterlikna hur de fettar på produktionen på SDS. För att se kraftskillnaden på skruvarna som användes fästes kraftmätaren, se figur ovan, mellan skruvhuvudet och plåten. Åtdragningsmomentet som skruvarna drogs med var 5,4 [Nm] som är åtdragningsmomentet för en M5 rostfri klass 80 skruv [3,s.14]. En momentnyckel användes för att dra åt skruvarna. Den kalibrerades för varje ny skruvomgång. För varje skruvomgång fördes värdena in ett testprotokoll (se bilaga 3). Testprotokollet beskriver även mätaruppställning. Därefter skrevs värdena in i kalkylarket (se bilaga 1). När testet var slutfört och alla värden hade lagts in i kalkylarket gjordes två nya tabeller utifrån värdena. En tabell skapades för att lättare kunna se hur stor inverkan fetterna hade på klämkraften och spridningen. Den andra tabellen skapades för att se hur mycket de två olika materialen påverkade klämkraften och spridningen. Värdena från gänglåsningen valdes inte att ta med i tabellerna eftersom de var så lika värdena som de ofettade skruvomgångarna hade fått. Sida 2 av 5

Ett problem var att åtdragningsmomentet varierade mycket i början. Orsaken troddes vara momentnyckeln, vilken jämfördes med en annan momentnyckel som inte alls hade lika stor hävarm. Det visades sig att nyckeln med mindre hävarm drog mycket jämnare moment, så momentnyckeln byttes ut. Kraftmätaren lånades från Electronic Defence Systems-labbet. Ett misstag gjordes i början på testen. Mätinstrumentet var inställd för två olika typer av kraftgivare och fel givare valdes. Felet upptäcktes eftersom mätvärdena varierade och var mycket större än förväntat. Detta fel gjorde att två gängpartier fick skruvas om på nytt eftersom att mätaren hade visat fel värden. Plåten tvättades om så att förutsättningarna inte försämrades. 5.RESULTAT Som man ser på tabell 1 så ökar klämkraften med 1,35[kN] på både Molykote 1000 och Aeroshell 33 ms, skillnad från när inget fett användes. Det var väldigt intressant att båda fetterna fick samma klämkraft, men det som var mer intressant var att de hade helt olika standardavvikelser. Molykotens spridning ökar med 0,48 [kn] till skillnad från Areoshellen som bara ökar med 0,05 [kn]. Detta visar att Aeroshellen inte alls har lika stor spridning. Tabell 1: Effekten av smörjfetternas inverkan på klämkraften. Fett/gänglåsning Medelvärde [kn] Molykote 1000 Medelvärde [kn] Aeroshell 33 ms Standardavvikelse [kn] Standardavvikelse [kn] Rostfritt syrafast 5,5 0,62 5,8 0,28 stål 2348 Aluminium 6082-6,2 0,54 5,9 0,48 T6 Medelvärde 5,85 0,58 5,85 0,38 Inget fett 4,5 0,10 4,5 0,33 Effekt 1,35 0,48 1,35 0,05 I tabell 2 så ser man att rostfritt syrafast stålets klämkraft ökar med 1,35 [kn] och aluminiumets klämkraft ökar med 1,55 [kn]. Också spridningen på plåtarna blev väldigt olika. Rostfria stålet ökar klämkraften med 0,35 [kn]. Klämkraften på aluminiumet ökar med 0,18 [kn]. Det visar att rostfria plåtens spridning ökar flerdubbla till skillnad från aluminium plåten. Tabell 2: Effekten på klämkraften från materialvalet i testplåtarna. Fett/gänglåsning Rostfritt syrafast stål 2348 Aluminium 6082-T6 Medelvärde Standardavvikelse Medelvärde [kn] [kn] Standardavvikelse [kn] [kn] Molykote 1000 5,5 0,62 6,2 0,54 Aeroshell 33 ms 5,8 0,28 5,9 0,48 Medelvärde 5,65 0,45 6,05 0,51 Inget fett 4,5 0,10 4,5 0,33 Effekt 1,15 0,35 1,55 0,18 För att se om klämkrafterna gav skruvarna en normalspänning som överskred sträckgränsen, gjordes en hållfastighets beräkning. De skruvar som valdes att beräkna normalspänningen på var de som hade fått högst klämkraft och lägst klämkraft för varje skruvomgång. Detta efter- Sida 3 av 5

som det var intressant att se hur stor variationen var. Klämkrafts värdena hämtades från kalkylarket (Bilaga 1). Max och min värdena är markerade med fet text. Tabell 3: Beräknad normalspänning i skruvarna I tabell 3 ser vi att normalspänningen på skruven överskrider sträckgräns på en M5 klass 80 skruv på både rostfria stålet och aluminiumet när Molykote användes. Rostfritt stål syrafast 2348 Aluminium 6082-T6 Fett Max N/mm Min N/mm Max N/mm Min N/mm Inget 396 243 461 216 Loctite 243 425 237 447 225 Aeroshell 33 ms 573 260 549 316 Molykote 1000 620 282 620 321 6.DISKUSSION Ett problem som uppmärksammades var när fettet Molykote 1000 användes. Klämkraften varierade väldigt mycket. [2] trodde det kunde bero på att det hamnade fett under vissa skruvhuvuden, mindre friktion på anliggningsytan innebär högre förspänning [3,s.5]. I [6,s.66-67] så står det att momentnycklar med en hög kvalitet ger en spridning på +/- 5 procent. Detta kunde vara en orsak också men det underliga var just att Molykote hade en så större variation än Aeroshell. Tillsammans med [1] och [2] bestämdes det att ett nytt test skulle utföras. Testet gjordes för att se hur variationen på klämkraften blev när det även fettades under skruvhuvudet med Molykote. Test gjordes med rostfria stål plåten och fem nya skruvsektioner drogs. I början så höll sig krafterna väldigt jämnt, men när andra skruvsektionen påbörjades så varierade krafterna väldigt mycket. Den lägsta klämkraften blev 5,82 [kn] och den högsta blev 9,22 [kn]. När kraftmätaren gav värdet 9,22 [kn] drogs samma skruv i samma hål tre gånger till för att se om värdena ändrades. Men värdena blev fortfarande väldigt lika. En helt ny skruv testades som drogs i samma gänga. Då blev kraften mycket lägre, runt 5 [kn]. Orsaken varför krafterna varierade så mycket kunde då bero på skruvarna. En diskussion togs med [2] och vi bestämde oss för att titta under skruvhuvudena på skruvarna i ett mikroskop för att se om det kanske fanns några defekter som orsakade den höga kraften. Många skruvar hade sprickor under skruvhuvudena och var vinda men det kunde fortfarande inte förklara orsaken varför krafterna hade blivit så höga (se Bilaga 2). Detta är ett område inom skruvförband som det måste forskas mer om samt att titta på vilken betydelse kvaliteten på skruvarna har. Sida 4 av 5

7.SLUTSATS Undersökningen visar att man nu med säkerhet vet hur mycket klämkraften på ett skruvförband påverkas när den fettas med Aeroshell eller Molykote. Som man ser i tabell 1 så ökar klämkraften exakt lika mycket för de båda fetterna. Däremot så har Molykote en väsentligt större spridning än Aeroshell. Till skillnad från fetterna så påverkar gängsäkringen inte klämkraften och spridningen alls. På tabell 2 ser man också att klämkraften även påverkas av vilket material skruvarna skruvas ner i. I undersökningen användes två material, nämligen rostfritt stål och aluminium. Resultatet visade på att det rostfria stålet gav en högre klämkraft och en större spridning, medan aluminiumet gav en lägre klämkraft och mindre spridning. Att klämkraften varierade beroende på vilket material som användes är ett område där det måste forskas mer om. I tabell 3 ser vi även att den åtdragning som gav högst klämkraft när Molykote användes överskred sträckgränsen på en M5 skruv. Det blir en osäkerhet att använda fettet, för att då vid vissa åtdragningar leder till att normalspänningen i skruvarna går över sträckgränsen. Undersökningarna visar att fettet Aeroshell är att föredra. De båda fetterna har många gemensamma egenskaper, men Aeroshell har ytterligare en egenskap som gör att Aeroshell är bättre för produktionen på SDS. Fettet har nämligen en arbetstemperatur som är bättre anpassad för SDS:s produkter [8][9][10][11]. Fettet Molykote skulle kunna ersättas med fettet Aeroshell Svaret på den sista frågeställningen, om en åtdragningsuppdatering av instruktionen[3] för fettade skruvförband bör göras på SDS, är att det inte behövs enligt undersökningen. Det är inte åtdragningen som i sig spelar roll, utan vilket fett som används. Det är kring fettet, i detta fall Molykote, en uppdatering i så fall skulle ske. Sida 5 av 5

KÄLLFÖRTECKNING Personreferens 1 Erik Thorén, Senior Project Engineer Assembly, Saab Järfälla, Security and Defence Solutions. 2 Martin Ringsted (som arbetar på Electronic Defence Systems i labbet och har en stor erfarenhet av skruvdragning) Interna källor 3 Instruktion: Erik Thoren et al 2013: IN117865,Instruktion för monteringsförfarande av skruvförband för SDS, C2s HW i Järfälla. 4 Saabinstruktion: Tomas Öberg et al 2012: IN118296, Smörjning med fett, Järfälla. Internetkällor 5 Handbok för skruvförband, Swedish Fasteners Network. Swerea IVF Jan Skogsmo 2011-11-23, http://handbok.sfnskruv.se/template.asp?lank=264 (Acc 2014-2-27) 6 Ordning ur kaos, Bultens Teknikhandbok. Bulten AB 1999, http://www.exx.se/techinfo/docs/bultens_teknikhandbok.pdf (Acc 2014-2-27) 7 Teknikbok, Teknisk information om fästelement. Arvid Nilsson AB 1918, http://www.emagcloud.com/arvidnilsson/teknikbok_svensk/index.html#/1/(acc (Acc2014-2-27) 8 Molykote 1000 Solid Lubricant Paste, Dow Corning Corporation 1997, http://www.firstpowergroupllc.com/dcc_product_sheets/molykote_1000.pdf (Acc 2014-2-30) 9 Säkerhetsdatablad Molykote 1000, G.A Lindberg AB 1944, http://www.iqlogistics.se/dokument/0all/8712801-molykote%201000%20paste2.pdf (Acc 2014-5-17) 10 Material safety data sheet, qc Lubricants, http://www.qclubricants.com/msds/asg%2033.pdf (Acc 2014-5-17) 11 Technical Data Sheet, Shell Aviation, http://www.shelllub.com.tw/wp-content/uploads/2009/11/asg33ms.pdf(acc2014-5-18)

Sida 1 (5) BILAGA 1: KALKYLARKET, ALLA VÄRDENA KILONEWTON Rostfritt stål syrafast 2348 plåten Omgångar: Omgångar:

Sida 2 (5)

Sida 3 (5) Omgångar: Aluminium 6082 plåten Omgångar:

Sida 4 (5) Omgångar:

Sida 5 (5) Omgångar:

Sida 1 (2) BILAGA 2: MIKROSKOPBILDER PÅ SKADADE SKRUVAR Figur 1: Skruvhuvud Figur 2: Buktning på skruvskallen Figur 3: Buktning på skruvskallen Figur 4: Utbuktning på undersida skruvskalle

Figur 5: Utbuktning på undersida skruvskalle (förstoring) Sida 2 (2)

BILAGA 3: TESTPROTOKOLLET Sida 1 (2)

Sida 2 (2 Sida 2 (2)

BILAGA 4: RÅ DATABLAD Sida 1 (1)

Sida 1 (5) BILAGA 5: TIDIGARE RAPPORT Datum; 2014-02-24. Eddie Lager Test av hållfasthet i 3mm aluminiumplåt med gängorna M4 och M3 Handledare; Erik Thoren, Christer Melander Sida 1 (5)

Sammanfattning. Sida 2 (5) I den här rapporten så visas det hur hållbara ett par M3 och M4 gängor är i en aluminiumplåt med tjockleken 3mm. Gängorna har testats med olika slags krafter. Genom att dra skruvarna med olika moment. Sammanfattning.... 2 Inledning.... 4 Syfte.... 4 Förutsättningar... 4 Utförande.... 4 M4 Gängorna... 4 Resultat.... 5 M3 Gängorna... 5 Resultat.... 5 Slut diskussion.... 6 Inledning. På varje radar som tillverkas så finns det en avfuktare som sitter i elskåpet. Avfuktaren är uppbyggd av en stål ram som väger väldigt mycket. För att göra avfuktaren lättare så har det tänkts att stål ramen ska bytas ut mot en aluminium ram. Det som måste testas är om gängorna kommer hålla på den nya ramen. Syfte. Ta reda på vilket moment M4 och M3 rostfri skruv kan dras med utan att gängorna skjuvas. Skruvarna kommer utsättas för ett

Nominellt åtdragningsmoment och kommer även utsättas för lägre och högre åtdragningsmoment. Förutsättningar Sida 3 (5) Plåten som valts är en 3 mm tjock aluminium(samma som ramen kommer att ha). Gängorna är gjorde på verkstaden och är godkända med gängtolk. Grader runt de gängade håller är borttagna med fil. Fettet som användes på skruvarna är Aeroshell Grease 33Ms art nr: M101524. Momentnyckeln har kalibrerats för varje nytt inställt moment. Utförande. För att testa om gängorna höll så användes en plåt av samma aluminium och tjocklek som ramen. I den borrades 20 hål för M4 gängor och 20 hål för M3 gängor. För att se om gängorna höll för åtdragningsmomentet så belastades skruvarna med angivna moment. För att få rätt åtdragningsmoment som visas i tabellen så kalibrerades moment nyckeln mot en digital momentmätare. M4 Gängorna Test 80% 90%% 100% 110% 120% 1 av 4 2,16 2,43 2,7 2,97 3,24 1 Ja Ja Ja Nej Nej 2 Ja Ja Ja Nej Nej 3 Ja Ja Ja Nej Nej 4 ja Ja ja Nej Nej Här är en tabell som visar hur resultat blev för testerna. Här ser man att nominella momentet är 2,7 Nm och 4 av 4 gängor höll för detta moment. Resultat. Sida 3 (5)

Men när kraften bara ökade med 10% så skjuvades gängan av i hålet. Detta kan vara ett problem eftersom att 2,7Nm och 2,97Nm ligger väldigt nära varandra. Det som kan hända är att om momentnyckeln visar lite fel så kan det bli lätt att gängan skjuvas av eftersom nominella kraften ligger så nära skjuvningskraften för gängan. M3 Gängorna Test 80% 90% 100% 110% 120% 1 av 4 0,96 1,08 1,2 1,32 1,44 1 Ja Ja Ja Ja Nej 2 Ja Ja Ja Ja Nej 3 Ja Ja Ja Ja Ja 4 ja Ja ja Ja Ja Sida 4 (5) Här är en tabell som visar hur resultat blev för testerna. Här ser man att nominella momentet är 1,2 Nm och 4 av 4 gängor höll för momentet. Resultat. Här ser man att alla gängorna höll förutom 2 av 4 vid 1,44 Nm. Det kan vara samma problem här som med M4 gängorna att skjuvningskraften ligger ganska så nära nominell kraften. Slut diskussion. M4 Gängorna höll för fullt åtdragningsmoment. Men ett problem är att skjuvningsgränsen ligger väldigt nära det fulla åtdragningsmomentet. Det som kan göras för att lösa problemet är att minska momentet så att säkerhetsfaktorn blir större. Det man kan göra också är att använda pressmuttrar så man kan dra med fullt moment. Man kan även använda genomgående skruv och mutter. Bilagor. Sida 12 av 13

Sida 5 (5) M3 M3 gängan höll också för fullt åtdragningsmoment. Men skillnad från M4 så höll den även för högre åtdragningsmoment uppemot 10-15% mer än vad nominella åtdragningsmomentet är. Sida 5 (5)