Friction in threaded fasteners : Influence of materials and tooling

• Threaded fasteners represent the most common type of machine element, with a unique function that facilitates ease of assembly and disassembly. This ease of disassembly allows machine parts to be reused, refurbished, and recycled. Easy as these components are to assemble, several factors must be considered to achieve the desired clamp force and to utilize the fastener to its full load capacity. The research presented in the thesis compares different tightening strategies and assembly tools to show that the clamp force and it´s scatter are influenced by the variation in the coefficient of friction (CoF) to a much larger extent than by the accuracy of an assembly tool. The research therefore focus on understanding the frictional response in a threaded fastener joint during tightening.A range of design and assembly factors are considered to identify how to increase reliability of the threaded fastener joints. These factors include tightening speed, coating, surface topography, fastener storage conditions, cutting fluid residue and joint material. A torque-controlled, two-step tightening method was mainly used in the studies as it is widely practiced across the production floor of the motor vehicle and general industries to tighten threaded fastener joints. A state-of-the-art friction test rig (FTR) was built to quantify variations in the CoF in the thread and under-head contacts during tightening. Coatings and contact surfaces are also characterized using SEM, FIB, indenters, and optical microscopes to gain an insight to find the likely reasons behind CoF variation. Fasteners with different Zn-based coatings were tightened on plates with surface topographies similar to those found in the motor vehicle industry. The samples were not cleaned before the testing but used "as-received" from the supplier. The degree of damage to the joint surface and fastener thread from the tightening depends on the hardness of the coating. The hardest coating (Zn-Ni) remained relatively unchanged but gave twice as high CoF in the under-head contact compared to the softest coating (Zn-flake). The under-head friction often dominates the tightening process and may be significantly affected by the joint surface topography and the level of cleanliness. In the automotive industry, many parts to be assembled are not thoroughly cleaned, increasing the risk of cutting fluid residue on the joint surface. Different types of cutting fluids were compared in a study with fasteners tightened against “as-received" and cleaned plates. It was shown that CoF might drastically decrease depending on the coating and cutting fluid types. An ester-based fluid performed best, providing the lowest CoF in the under-head contact due to its higher viscosity and polarity. A water-based fluid showed a significantly larger scatter. Water can also influence friction due differences in humidity and temperature. Sometimes fasteners are stored outside a factory which could lead to water diffusion in the coating in hot-humid climate or condensation of water on the fastener surface when it is brought from the outside storage at sub-zero temperatures into the production hall. Water on the coating and inside of it could lead to low CoF, with overtightening and fastener failure as a result. Four Zn-based coatings were compared and showed different response depending on the coating structure and topcoat. Another way to reduce CoF is to use variable speed tightening. It will also increase productivity, as it is faster. It will also improve operator ergonomics, as it gives much lower reaction torque. Much higher CoF was found for EPZ coating when tightened at a constant and very low speed, 5 rpm, due to cohesion that resulted in material transfer, compared to CoF during high, variable speed tightening. At the same time, speed had negligible influence on the CoF when using soft Zn-flake coating as the coating easily sheared off, acting as a solid lubricant.A soft coating is also practical when used in contact with parts made using additive manufacturing (AM). The AM parts are often rough, but a soft coating can mitigate an increase in the under-head CoF. An interesting finding was that the cheapest solution of using an uncoated fastener works very well. An anti-corrosion oil on the plain fastener helped in achieving low CoF. When the AM plate was machined, the CoF and surface damage significantly increased due to the lay of the surface topography created by machining. The findings presented in the thesis increase understanding of how various design and assembly factors govern friction in the thread and under-head contacts. The under-head contact dominates friction response. A proper selection and adjustment of these factors will help design engineers to optimize joint designs and achieve high fastener strength utilization.

• Gängade fästelement är den vanligaste typen av maskinelement, med en unik funktion som underlättar montering och demontering. Denna enkla demontering gör att maskindelar kan återanvändas, renoveras och återvinnas. Även om dessa komponenter är lätta att montera måste flera faktorer beaktas för att uppnå önskad klämkraft och för att utnyttja fästelementet till dess maximala belastningskapacitet. Forskningen som presenteras i avhandlingen jämför olika åtdragningsstrategier och monteringsverktyg för att visa att klämkraften och dess spridning påverkas av variationerna i friktionskoefficienten (CoF) i mycket större utsträckning än av monteringsverktygets noggrannhet. Forskningsfokuset ligger därför på att förstå friktionsresponsen i ett gängat skruvförband under åtdragning. En rad konstruktions- och monteringsfaktorer övervägs för att identifiera hur tillförlitligheten kan öka hos skruvförbanden. Dessa faktorer inkluderar åtdragningshastighet, beläggning, yttopografi, fästelementens lagringsförhållanden, skärvätskerester och  klämda parter. En momentstyrd, tvåstegs åtdragningsmetod användes huvudsakligen i studierna eftersom den är vanligen förekommande både i fordons-  och den allmänna industrin för att dra åt skruvförband. En toppmodern friktionstestrigg (FTR) byggdes för att kvantifiera variationer i CoF  mellan gängans och under-skallens kontaktytor  vid åtdragning. Beläggningar och kontaktytor karakteriseras också med hjälp av SEM, FIB, indenters och optiska mikroskop för att få en inblick i de troliga orsakerna bakom CoF-variationen.Fästelement med olika Zn-baserade beläggningar skruvades åt på plattor med yttopografi som liknar de som finns inom bilindustrin. Proverna rengjordes inte före testningen utan användes "som de kom" från leverantören. Graden av skador på  förbands- och gängytor från åtdragningen beror på beläggningens hårdhet. Den hårdaste beläggningen (Zn-Ni) förblev relativt oskadad men gav dubbelt så hög CoF i kontakten under skallen jämfört med den mjukaste beläggningen (Zn-flake). Friktionen under skallen dominerar ofta åtdragningsprocessen och kan påverkas avsevärt av fogytans topografi och renhet. Inom fordonsindustrin är många delar som ska monteras inte noggrant rengjorda, vilket ökar risken för skärvätskerester på  förbandets yta. Olika typer av skärvätskor jämfördes i en studie av där gängade fästelement drogs åt  mot plåtar "som de kom" och rengjorda. Det visade sig att CoF kan minska drastiskt beroende på beläggnings- och skärvätsketyper. En esterbaserad skärvätska gav bäst resultat  med lägst CoF i kontakten under  skallen på grund av dess högre viskositet och polaritet. En vattenbaserad vätska uppvisade en betydligt större spridning. Vatten kan också påverka friktion på grund av  skillnader i fuktighet och temperatur. Ibland förvaras fästelement utanför fabriken, vilket kan leda till vattendiffusion i ytbehandlingen i ett varmt och fuktigt klimat eller till kondensering av vatten på fästelementets yta när det förs in i produktionshallen från utomhusförvaringen vid minusgrader. Vatten på eller i beläggningen kan leda till en låg CoF, med överdragning och  brott i  fästelement. Fyra Zn-baserade beläggningar jämfördes och visade olika reaktioner beroende på beläggningsstruktur och topplack. Ett annat sätt att minska CoF är att använda en åtdragning med varierande hastighet. Det bidrar också till en ökad produktivitet, eftersom den är snabbare, och förbättrar operatörens ergonomi eftersom det ger mycket lägre reaktionsmoment. En mycket högre CoF observerades  för EPZ-beläggning när den dras åt vid en konstant  och mycket låg hastighet, 5 rpm, på grund av kohesion, vilket  resulterande i materialöverföring, jämfört med CoF under hög, variabel hastighet åtdragning.  Samtidigt påverkade den mjuka Zn-flake-beläggningen CoF oavsett  hastighet, eftersom  ytbehandlingen lätt skjuvades  och då  fungerade som ett fast smörjmedel. En mjuk beläggning är också praktisk när den används i kontakt med delar som är tillverkade med hjälp av additiv tillverkning (AM). AM-delarna är ofta  grova på ytan, men med en mjuk beläggning kan det mildra  ökningen av CoF under skallen. Ett intressant upptäckt var att den billigaste lösningen, dvs. att använda ett obelagdt  skruv, fungerar mycket bra. En korrosionsskyddsolja på det obehandlade fästelementet hjälpte till att uppnå en låg CoF. När AM-plattan bearbetades ökade CoF och ytskadorna avsevärt på grund det ytskikt som skapades genom bearbetningen. Resultaten som presenteras i avhandlingen ökar förståelsen för hur olika konstruktions- och monteringsfaktorer styr friktionen i gängans och under skallens kontakter. Kontakten under skallen dominerar friktionsresponsen. Ett ordentligt urval och justering av dessa faktorer kommer att hjälpa konstruktörer att optimera skruvförband  och uppnå ett högt utnyttjande av fästelements hållfasthet.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Maskinteknik -- Tribologi (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Mechanical Engineering -- Tribology (hsv//eng)

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Maskinteknik -- Tillförlitlighets- och kvalitetsteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Mechanical Engineering -- Reliability and Maintenance (hsv//eng)

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Maskinteknik -- Produktionsteknik, arbetsvetenskap och ergonomi (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Mechanical Engineering -- Production Engineering, Human Work Science and Ergonomics (hsv//eng)

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Maskinteknik -- Farkostteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Mechanical Engineering -- Vehicle Engineering (hsv//eng)

Nyckelord

Friction

Coating

Surface topography

Tightening speed

Additive manufacturing

Tightening condition

Assembly tool

Material

Friktion

Ytbehandling

Yttopografi

Åtdragningshastighet

Additiv tillverkning

Åtdragningsförhållanden

Monteringsverktyg

Material

Machine Design

Maskinkonstruktion

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)