پیچ و مهره

در این مقاله سعی بر این است ابتدا مفاهیم کلی پیچ و مهره بیان شود و در ادامه به انواع پیچ و مهره ساختمانی بپردازیم.

برای افراد غیر‌متخصص ممکن است چنین به نظر برسد که اتصالات رزوه‌دار (شامل پیچ‌ها ومهره‌ها) ساده‌ترین و پیش‌پا افتاده‌ترین اجزای سازه‌ها و ماشین‌آلات باشند. با نگاهی مهندسی و عمیق‌تر می‌توان دریافت که این قطعات به ظاهر ساده، گونه‌های بسیار متنوعی داشته و جزئیات طراحی آن‌ها دقت و ریزبینی خاصی را می‌طلبد.

مفاهیم کلی درباره پیچ و مهره

جنبه اقتصادی طراحی اتصالات، خواه رزوه‌دار یا بدون‌رزوه، بسیار حایز اهمیت است. برای مثال در بدنه یک هواپیمای جت غول‌پیکر چیزی در حدود 2.4 میلیون اتصال به کار رفته که هزینه‌ای بالغ بر 750.000 دلار را برمی‌گیرد.

جنبه ایمنی اتصالات در بسیاری از سازه‌ها و دستگاه‌ها (به ویژه در سازه‌های مربوط به حمل و نقل انسان و مخازن تحت فشار) بسیار حساس است. خوردگی شیمیایی اتصالات عمدتا مسأله‌ساز است چرا که تفاوت جنس اتصالات و بدنه سازه‌ها پتانسیل سلول‌های گالوانیک را افزایش می‌دهد.

به دلیل آن‌که بخش عمده‌ای از فرآیند مونتاژ و نصب سازه‌ها مربوط به نصب اتصالات می‌باشد، سهولت و کم هزینه بودن نصب یا باز کردن اتصالات یکی دیگر از پارامترهای مربوط به آن‌ها می‌باشد.

 به طور خلاصه می‌توان گفت که مسائلی همچون طراحی اتصالات سبک، ساخت و نصب ارزان، مقاومت در برابر خوردگی اتصالات و غیره چالش بی‌پایانی را پیش روی مهندسین قرار داده است. به همین خاطر است که بخش قابل توجهی از آزمون‌های قطعات صنعتی مربوط به پیچ و مهره‌ها بوده و استانداردهای گوناگون و متعددی در رابطه با آن‌ها تدوین شده است.

برخی اصطلاحات مهم رزوه ها

از آنجا که آگاهی برخی اصطلاحات مربوط به پیچ و مهره ها برای درک مفاهیم آنها ضروری است، در اینجا بعضی از تعاریف مهم مربوط به آنها مطرح می شود. در شکل زیر تعدادی از اصطلاحات ذیل نشان شده است.

• رده های رزوه: تولرانس و مقادیر مجاز ابعاد هندسی رزوه ها، رده های آنها را مشخص می کند.
• گام رزوه: فاصله اندازه گیری شده به موازات محور پیچ است که میان نقاط مشابه دو روزه مجاور در همان صفحه محوری و در همان سمت محور است.
• پیشروی رزوه: فاصله ای که قطعه رزوه شده در اثر یک دور کامل چرخش به صورت محوری نسبت به قطعه مزدوج ثابت خود حرکت می کند.
• قطر اصلی: برای رزوه های مستقیم، قطر اصلی قطری از یک استوانه هم محور فرضی است که به لبه دندانه های رزوه خارجی یا ریشه دندانه های رزوه داخلی را در بر می گیرد. برای رزوه های مخروطی چنین قطری مربوط به موقعیت مربوطه از مخروط مذکور می باشد.
• قطر فرعی: برای رزوه های مستقیم، قطر فرعی قطری از یک استوانه هم محور فرضی است که مماس بر ریشه رزوه خارجی یا نوک رزوه داخلی است. برای رزوه های مخروطی چنین قطری مربوط به موقعیت مربوط از مخروط مذکور می باشد.
• قطر گام: برای رزوه های مستقیم، قطر گام از یک استوانه هم محور فرضی است که سطح آن از مقطع رزوه عبور می کند و عرض شیارهای ایجاد شده برابر نصف گام می باشد. برای رزوه های مخروطی چنین قطری مربوط به موقعیت مربوطه از مخروط مذکور می باشد.

استانداردهای گوناگون اتصالات رزوه دار

در حال حاضر دو نوع سیستم اصلی متریک و اینچی برای پیچ و مهره ها وجود دارد که از لحاظ شباهت شکل هندسی بسیار شبیه یکدیگر بوده و تفاوت آنها عمدتا در واحد ابعاد می باشد. این دو سیستم عبارتند از:

1. سیستم یکپارچه (سری اینچی)
2. سیستم سازمان بین المللی استاداردها (ایزو)

تا پیش از آنکه سیستم یکپارچه تدوین شود استاندارد ملی آمریکا و استاندارد بریتانیا در مورد شکل هندسی مقطع رزوه ها با یکدیگر تفاوتهایی داشتند. پس از توافقی که در سال 1948 میان سه کشور آمریکا، انگلستان و کانادا صورت گرفت، استاندارد پیچ های اینچی به صورت یکپارچه تعریف شد. از سوی دیگر استاندارد بین المللی ایزو که عمدتا بر مبنای استاندارد دین آلمان است مربوط به پیچ های سری متریک می باشد.

صرف نظر از استاندارد های کلی مربوط به ابعاد، یکسری از استانداردها مربوط به مشخصات مکانیکی، شیمیایی و هندسی پیچها است که مربوط به کاربرد آنها می باشد. به طور مثال می توان به موارد زیر اشاره کرد

انواع استانداردهای پیچ و مهره

• جامعه آزمون و مواد آمریکا American Society for Testing and Materials) ASTM):استاندارد ASTM پیچ و مهره های گوناگون با اندازه و گرید متنوع برای کاربرد در سازه های فلزی را مشخص می کند.
• موسسه اتصالات صنعتی (Industrial Fasteners Institute (IFI))
• جامعه مهندسین خودرو  (Society of Automotive Engineers (SAE))
• استاندارد DIN پیچ و مهره

این استاندارد توسط جامعه مهندسین آلمان تبیین شده و لیست کاملی را برای انواع پیچ و مهره از نظر شکل، کلاس و گرید و سایز و طول دنده و گام ارائه نموده است. استفاده از استاندارد DIN در پیچ و مهره ها نه تنها در ایران بلکه در سر تا سر دنیا بدلیل بالا بودن دقت و پردازش به جزئیات مهم در انتخاب پیچ و مهره بسیار متداول است.

هر کدام از استانداردهای متعدد و جداگانه برای کاربردهای مختلف پیچ و مهره ارائه کردند. نکته جالب توجه آنکه استانداردهای مربوط پیچ و مهره دائما در حال تجدید نظر و بهبود می باشند و شاید بتوان گفت که کمتر قطعه ای از قطعات صنعتی به اندازه پیچ و مهره چنین حساسیت و دقت نظری بر روی آن انجام گرفته است.

حتما بخوانید : مشاهده قیمت روز انواع پیچ و مهره

دسته بندی های گوناگون پیچ ومهره ها

امروزه انواع بسیاری از پیچ و مهره ها در صنعت مورد استفاده قرار میگیرد که از لحاظ مسائل گوناگونی چون شکل هندسی، مقاومت مکانیکی، جنس و ترکیب شیمیایی، پوشش سطحی و غیره می توان آنها را طبقه بندی کرد. برخی از طبقه بندی های مهم بر اساس موارد زیر انجام میشود.

1. انواع رزوه ها و شکلهای هندسی
2. رده های تولرانسی رزوه ها
3. رده های استحکامی
4. جنس و ترکیب شیمیایی
5. پوشش سطحی

رده های استحکامی پیچ و مهره

یکی از تقسیم بندی پر کاربرد پیچ و مهره ها رده های استحکامی می باشد که با نام های گرید یا همان رده پیچ نشان گذاری می شود. بر اساس این تقسیم بندی در استانداردهای گوناگون دسته بندی های متفاوتی دارند. به طور مثال رده بندی پیچ های فولادی کم کربن یا کربن آلیاژی استاندارد سیستم متریک در جدول زیر آمده است:

برای خواص تقریبی خواص مکانیکی مانند تنش معادل حد جاری و تنش حد نهایی در سیستم مشخصات فوق، قاعده به این ترتیب است که جلوی عدد قبل از ممیز دو رقم صفر گذاشته می شود عدد به دست آمده همان تنش حد نهایی پیچ بر حسب واحد مگاپاسکال می باشد. عدد سمت راست به همراه ممیز اعشار، نشان دهنده کسری از تنش حد نهایی است که مربوط به تنش معادل حد جاری می باشد.

به طور مثال برای رده 5.6، تنش حد نهایی پیچ 500 Mpa و تنش معادل حد جاری آن برابر (0.6*500=)300 مگا پاسگال است. رده های استحکامی مهره ها نیز در این استاندارد تنها با یک عدد مشخص می شد. که مربوط به کمترین تنش باز شده مهره می باشد. که به این معنی که برای رده 8، تنشی که مهره باید تحمل کند برابر 800 مگا پاسکال است. پس از برداشتن این تنش، مهره باید بدون هیچ آسیبی باز شود.

نکته: بالاتر بودن گرید یا کالس پیچ؛ بالاتر بودن استحکام پیچ؛ کاهش انعطاف پذیری پیچ

جنس و ترکیب شیمیایی

جنس پیچ ها میتواند از فلز، چوب، پلاستیک باشد. پر مصرف ترین مواد در تولید این نوع اتصالات فولاد میباشد و نوع آن فولادهای کم کربن و کربن متوسط میباشد.

دو اصلاح پیچ خشکه و پیچ آهن در بازار رواج دارد؛ انتخاب بین پیچ و مهره آهن و خشکه در اصطلاح عامیانه پیچ و مهره ها، یکی از سوالات متداول در انتخاب جنس پیچ و مهره ها می باشد.

اصطلاح پیچ های آهنی به کلاس 4.8 و 5.6 پیچ و مهره های کم کربن گفته می شود که امروزه در بازار کلاس 5.6 آن کاربرد بسیار گسترده تری دارد. اصطلاح پیچ خشکه معمولا به کلاس 8.8 از پیچ ها با کربن متوسط و همراه با عملیات حرارتی اطلاق می شود.

واژه خشکه مترادف واژه فولاد در فارسی می باشد. بنابراین منظور از پیچ خشکه همان پیچ فولادی است. مثلا آنچه به عنوان پیچ خشکه 8.8 در بازار رواج دارد، پیچ فولادی گرید 8.8 می باشد. همین طور پیچ خشکه 10.9، پیچ فولادی گرید 10.9 می باشد 

انواع پیچ ها از نظر کاربرد

پیچ ها در صنعت به دوصورت مورد استفاده قرار میگیرند.

الف: پیچ های محکم کننده: این پیچ ها به منظور وصل کردن دو چند قطعه مختلف به یکدیگر به کار می روند.

ب: پیچ انتقال حرکت: این پیچ ها شامل انواع پیچها و حلزون هایی است که جهت انتقال حرکت یا تبدیل حرکت دورانی به حرکت مستقیم یا تغییر سرعت به کار می رود.

پیچ و مهره ساختمانی

امروزه استفاده از سازه‌های پیچ و مهره‌ در صنعت، به نحو چشمگیری افزایش یافته به طوری که این سازه‌ها (اسکلت فلزی) در گذشته فقط شامل سوله‌های صنعتی و مجتمع‌های پتروشیمی و سازه‌های مورد استفاده در صنایع نفت و گاز می‌شدند‌.

از مهمترین دلایل استفاده از سازه‌های پیچ و مهره‌ در کشور‌های صنعتی عدم نیاز به جوشکاری، زمان نصب سازه ‌در موقعیت‌های سخت، همچنین سرعت بیشتر اجرا در محل نصب نسبت به سازه‌های جوشی است.

همچنین اسکلت‌هایی که در محوطه پروژه‌های ساختمانی تولید می‌شوند بخاطر محدودیت در تامین برق کافی و بکار گیری دستگاه‌های جوش مدرن (‌با نرخ نفوذ بالا و استاندارد‌)‌، عدم وجود ابزار صنعتی سنگین‌، تیم‌های مجرب‌، رنگ آمیزی و زنگ زدایی صحیح و … نه تنها فاقد کیفیت هستند بلکه کاملاً دست و پاگیر و دارای پروسه‌ای زمان بر هستند که بلاشک منجر به ایجاد ترافیک در معا‌بر و تزاحم همسایگان می‌‌شود.

انواع پیچ، مهره، واشرهای فولادی با قابلیت کشش بالا دراستانداردهای Din6916/HV – Din6914/HV – Din6915/HV درگرید 10.9 جهت پیچ ها و گرید10 برای مهره، مورد استفاده در ساختارهای فولادی، ساخت پل، انواع داربست و چوب بست چهارچورب های ساختمانی و پیچ های مختلف مطابق استاندارد و گریدها:

1. ASTMA325/A325M
2. ASTMA490/A490M

‌انواع پیچ‌ها‌ در اتصالات

تقسیم بندی پیچ‌های معمولی و پیچ‌های پرمقاومت با توجه به مقاومت نهایی کششی آنها و نوع مصالحی که در ساخت و تولید آنها به کار می‌رود، انجام می‌گیرد. هر دو نوع پیچ معمولی و پرمقاومت دارای شکل ظاهری مشابه یکدیگر هستند.

1. پیچ‌های معمولی‌

مصالح پیچ‌های معمولی از نوع فولاد نرمه با کربن کم هستند. پیچ‌های معمولی در استاندارد۳۰۷ با علامت مشخص می‌شوند. قیمت پیچ‌های معمولی از پیچ‌های پرمقاومت کمتر بوده و با قطرهای‌ محدود ساخته می‌شوند.

مورد مصرف آنها در سازه‌های سبک مانند خرپاهای کوچک، سازه‌های موقتی و اعضای درجه دوم سازه‌ها مانند مهاربندها و لاپه‌ها هستند. از پیچ‌های معمولی به عنوان وسیله کمکی مونتاژ نیز در اتصالاتی که اعضای اصلی آن توسط جوش و یا پیچ های پرمقاومت متصل می‌شوند استفاده میکنند

2. پیچ‌های پرمقاومت

عرضه پیچ‌های پرمقاومت تحول زیادی در صنعت سازه‌های فولادی و اتصالات آنها به وجود آورد. مصالح پیچ‌های پرمقاومت از فولاد با کربن متوسط است که خود و مهره آنها به وسیله عملیات مرغوب سازی (حرارت دهی و کاهش حرارت) تولید می‌شوند و قبل از شروع عملیات مرغوب سازی حدود ۱۶ تا ۲۵ ساعت گداخته می‌شوند.

انواع عملکرد اتصالات پیچی‌

به طور کلی دو فلسفه در عملکرد اتصالات پیچی وجود دارد که شامل اتصال اتکایی و اتصال اصطکاکی هستند.

1. عملکرد اتصال اتکایی

در عملکرد اتکایی، پیچ درون سوراخ صفحات اتصال قرار می‌گیرد و مهره بسته می‌شود. هنگامی که بار خارجی به پیچ وارد می‌شود، قطعات اتصال لغزش پیدا می‌کنند که در اثر آن، یک نیروی فشاری به لبه‌های اتصال وارد می‌شود که تبدیل به نیروی برشی در پیچ می‌شود.

این اتصال تنها برای حالت بارگذاری ثقلی بوده و در طرح لرزه‌ای نباید از این نوع عملکرد در اتصال استفاده نمود. در این نوع اتصال هیچ نیروی پیش‌تنیدگی در پیچ ایجاد نمی‌شود و برای اجرای این اتصال، تنها سفت کردن پیچ به وسیله‌ی کارگر کفایت می‌کند.

2. عملکرد اتصال اصطکاکی

هنگامی که پیچ درون سوراخ صفحات اتصال قرار می‌گیرد، علاوه بر مهره باید از واشر نیز استفاده نمود‌. باید توجه شود که واشر مصرفی در اتصال اصطکاکی نباید از نوع واشر فنری باشد. در طراحی لرزه‌ای تنها باید از این فلسفه‌ی طراحی در اتصال استفاده شود.

 به عبارتی دیگر، در طراحی همه‌ی اتصالات قاب‌های خمشی و قاب‌های دوگانه و نیز اتصالات بادبندی و وصله‌ی ستون‌های باربر جانبی در قاب‌های ساده باید از این نوع عملکرد استفاده نمود. در این نوع اتصال، علاوه بر سفت کردن نخستین پیچ، باید به مقداری که در طراحی مشخص شده است، نیروی پیش‌تنیدگی نیز در پیچ ایجاد شود.

با اعمال نیروی پیش- تنیدگی، در پیچ تحت کشش قرار گرفته و با اعمال بار، بین صفحات اتصال اصطکاک به وجود می‌آید کهباعث عدم لقی و کارکرد کامل اتصال می‌شود. باید در نظر داشت که شکل پیچ در اتصال اصطکاکی با شکل پبچ در اتصال اتکایی متفاوت است. به طوری که پیچ‌های اتصال اصطکاکی دارای سر پیچ بزرگتر هستند.