آشنایی با استانداردهای پیچ و مهره

هدف از این مقاله آشنایی با صنعت پیچ و مهره و استاندارد های پیچ و مهره است. پیچ‌ها از جنس فلز، چوب و پلاستیک به شکل استوانه که دارای شیارهای مارپیچ به دور آن است ساخته می‌شوند.

شیار پیچ‌ها را به‌صورتی طراحی کرده‌اند که برای مواد نرم و سخت متفاوت هستند. این شیارها اغلب به‌صورت مثلث، مربع، ذوزنقه و نیم‌دایره روی سطح جانبی بدنه ایجاد می‌شود. خرید پیچ مهره در هر صنعتی بنا به نیاز آن صنعت صورت می‌گیرد.

پیشرفت و گسترش در تولید پیچ و مهره باعث ایجاد تنوع در آن‌ها شده است. پیچ‌ها معمولا با سر که از دو قسمت تنه و گل پیچ تشکیل‌ شده مانند پیچ آلن و پیچ شش‌گوش و دسته دوم پیچ بی‌سر که فقط از یک استوانه تشکیل‌ شده که دور آن شیارهای مارپیچ قرار دارد و معمولاً با انواع مهره مورد استفاده قرار می‌گیرد از انواع پیچ بی‌سر می‌توان از پیچ استاد بولت و انکربولت نام برد.

برای شناخت بهتر پیچ‌ها ۴ مشخصه وجود دارد که عبارت‌اند از:

• قطر پیچ
•  طول پیچ
• نوع کله پیچ
• نوع دنده و گام پیچ فاصله قله دو نخ رزوه کنار هم

معرفی انواع استاندارد مقاومتی در پیچ

انواع پیچ در رده‌های مقاومتی متفاوت بر اساس استاندارد DIN با اعداد ۸/۸، ۱۰/۹ و ۱۲/۹ تعریف‌ شده‌اند. پراستفاده‌ترین کاربرد پیچ در نگهداری اشیا و متصل کردن قطعات می‌باشد.

از قسمت زیر سرپیچ تا نوک پیچ، پای پیچ نامیده می‌شود که کل یا بخشی از آن رزوه شده است و فاصله میان هر شیار با شیار دیگر گام پیچ نامیده می‌شود. پیچ‌های قدرت که گاهی محرک‌های خطی یا پیچ‌های انتقال نیز نامیده می‌شوند، برای تبدیل حرکت دورانی مهره یا پیچ به حرکت خطی نسبتاً آهسته در امتداد محور پیچ به کار می‌روند.

معرفی جنس متریال بکار رفته در انواع پیچ

یکی از پرکاربردترین مواد در تولید پیچ و مهره و واشر، فلز فولاد است. خود فولاد نیز به دو دسته کم‌کربن و کربن متوسط آن برای تولید پیچ و مهره مورداستفاده قرار می‌گیرد.

فولادهای با کربن بالا، فولاد زنگ نزن (استنلس استیل)(صنایع دریایی -صنایع غذایی -مکانهای مرطوب)، آلومینیوم (ظروف تفلون)، مس، برنج نیز معمول می‌باشد.

نکته قابل‌توجه در موادی که برای تولید پیچ و مهره استفاده می‌شود وجود دارد که دانستن آن خالی از لطف نیست این است که مواد اولیه تولید به همان اندازه که در کیفیت انواع پیچ و مهره تأثیر دارد، در قیمت تمام‌شده برای مصرف کننده نیز تأثیرگذار است.

مفتول فولادی که در تولید پیچ و مهره‌ها استفاده می‌شود باید قابلیت و فرم پذیری سرد را داشته باشد. این نوع فولادها معمولاً از فولاد ساختمانی و معمولی قیمت بالاتری دارد و دلیل آن این است که در فولادهای با قابلیت CHQ سعی شده تا وجود حباب‌های هوا به حداقل خود برسد و سطح و مقطع مفتول به‌صورت یکنواخت‌تر و همگن‌تر باشد این کار برای آن است که ترک‌خوردگی روی سطح قطعات تولیدی به وجود نیاید.

پیچ‌ها از لحاظ کاربردی در صنعت به دو دسته تقسیم‌ شده و مورد استفاده قرار می‌گیرند.

• پیچ‌های محکم کننده: این نوع پیچ‌ها به‌منظور وصل کردن دو یا چند قطعه مختلف به یکدیگر به کار گرفته می‌شوند که معمولاً برای آن‌ها فرم دندانه‌ی مثلثی در نظر گرفته می‌شود.
• پیچ انتقال حرکت: پیچ‌های انتقال‌دهنده شامل انواع پیچ‌ها و حلزون‌هایی هستند که جهت انتقال حرکت یا تبدیل حرکت دورانی به حرکت مستقیم‌الخط و یا تغییر سرعت مورد استفاده قرار می‌گیرد. فرمی که برای مقطع پیچ‌های انتقال‌دهنده در نظر گفته می‌شود اغلب ذوزنقه‌ای یا مربع‌های می‌باشد. از دیگر موارد کاربرد این پیچ‌ها هدایت سوپرت ماشین و میز صفحه‌تراش و فرز می‌توان نام برد.

روش‌های استاندارد کردن سیستم پیچ

دو روش برای استاندارد کردن سیستم پیچ‌ها وجود دارد که در اینجا به شرح مختصری از آن‌ها پرداخته‌ایم.

1. سیستم DIN که همان فرم صنعتی آلمان است.
2. سیستم ISO که همان سازمان استاندارد بین‌المللی است.

استفاده از روش استاندارد DIN تا سال ۱۹۶۰ متداول بود و هم‌اکنون سیستم ISO در تولید اتصالات جایگزین آن شده است. یکی از عواملی که باعث کنار گذاشتن سیستم DIN شد این بود که معمولاً سر دندانه پیچ‌ها را بسیار تیز تولید می‌کردند و همین امر باعث می‌شود تا عمر آن‌ها را کوتاه کند.

جهت گردش دندانه در انواع پیچ

پیچ‌ها ازلحاظ جهت گردش دندانه‌ها به دو دسته تقسیم می‌شوند اگر حرکت به‌طرف راست باشد پیچ راست‌گرد و اگر برعکس باشد به آن پیچ چپ‌گرد گفته می‌شود.

اگر به پیچ‌ها به‌صورت عمودی نگاه کنیم به‌راحتی می‌توانیم این دودسته را تشخیص دهیم. در صنعت موارد استفاده پیچ‌های راست‌گرد بیشتر از چپ‌گرد است. پیچ‌های چپ‌گرد در اتصال لوله‌های گازهای قابل اشتعال مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مفهوم کلاس و گرید پیچ و مهره ها

پیچ ها را بسته به نوع کاربری معمولا از جنس آهن کم کربن کلاس 4.6 و 5.6 ، آهن پر کربن خشکه کلاس 8.8 و بالاتر ، استیل و تیتانیوم می سازند. هر یک از این مواد اولیه مزایا و معایب خود را دارند که ویژگی منحصر به فردی برای کاربری ویژه به پیچ میدهند.

بطور کلی پیچ های استیل و گالوانیزه به دلیل مقاومت بالایی که در برابر زنگ زدگی و خوردگی دارند انتخاب مناسبی برای مناطق مرطوب و یا در صنعت و شرایط محیطی اسیدی و خورنده دارند.

گرید و یا کلاس پیچ و مهره مهمترین فاکتور در تعیین میزان سختی، تنش کششی، تنش برشی، پیچش و در واقع خواص فیزیکی و ذاتی پیچ دارند و در واقع آنچه در هند بوک های مهندسی برای انتخاب پیچ و مهره ها قید شده معمولا بیشتر در رابطه با ویژگی های ابعادی مهره و پیچ و این کلاس یا گرید است.

کلاس پیچ و مهره با دو عدد مشخص میشود و در سیستم استاندارد بین المللی میباشد.

عدد اول ضرب در 10 میزان بار کششی است بر حسب کیلوگرم که یک میلیمتر مربع از سطح مقطع پیچ می تواند تحمل کند. عدد دوم ضربدر 100 میزان درصدی از بار اول است که پیچ بدون تغییر فرم در حالت کششی میتواند تحمل کند.

• 

پیچ و مهره کلاس 5.6

پیچ های کلاس 5.6 که به پیچ آهن نیز معروف هستند و همراه با مهره کلاس 5 و یا 5 به بالا بسته میشوند در دستگاه های استاندارد DIN طبق DIN931 بصورت نیم دنده و DIN933 بصورت تمام دنده تولید میشوند.

این کلاس از پیچ و مهره ها در ساختار مفتولشان کربن کمتری نسبت به کلاس های بالا تر دارند از نظر انعطاف بهتر هستند اما استقامت کمتری دارند. هر میلی متر مربع از سطح مقطع این پیچ قادر به تحمل بار 50 کیلوگرم بار است و تا 60 از بار وارد شده را نیز بدون تغییر شکل تحمل میکند.

پیچ های کلاس 5.6 معمولا با دنده درشت بصورت Coarse Thread تولید میشوند و مصرف اصلی آنها اتصالات معمولی است که نیاز به مقاومت کششی بالایی نیست. این نوع پیچ و مهره در دسته پیچ های متریک دسته بندی میشود و در دستگاه استاندارد ایزو از استاندارد ISO 898 تبعیت می کند.

در ساختار پیچ و مهره کلاس 5.6 حداکثر 0.55 درصد کربن، 0.05 درصد فسفر و 0.06 درصد گوگرد وجود دارد.

پیچ و مهره کلاس 8.8

پیچ و مهره کلاس 8.8 که به نام پیچ خشکه نیز در بازار معروف است یکی از پرکاربرد ترین نوع اتصالات پیچ و مهره شش گوش محسوب میشود. برای اتصال پیچ های کلاس 8.8 از مهره کلاس 8 و یا 8 به بالا استفاده میشود.

این کلاس از پیچ و مهره حد متوسطی از سختی و استقامت کششی را از خود نشان میدهد و در هر میلی متر مربع از سطح مقطع خود بار 80 کیلوگرم را بصورت کششی تحمل میکند. البته باید خاطر نشان کرد که محاسبه بار ترکیبی وارد به مقطع پیچ علاوه بر تقسیم کل بار به زاویه قرارگیری بار و پخش بار، توازن و یا عدم توازن بار و غیره بستگی دارد و صرفا تقسیم بار بر روی پیچ و مهره ها بیانگر بار وارده بر هر یک نیست.

پیچ های خشکه تا 80 درصد نیروی کششی قید شده بدون تغییر شکل بار تحمل میکنند.

پیچ و مهره کلاس 10.9

پیچ و مهره های کلاس 10.9 از فولاد با درصد کربن متوسط تولید شده و تنسایل و مقاومت نسبتا بالایی دارند. طبق استاندارد ASTM A324 تولید میشوند و طول گام آنها از 1 میلیمتر برای پیچ با قطر خارجی 6 میلیمتر تا 6 میلیمتر برای پیچ با قطر خارجی 72 میلیمتر متغییر است.

پیچ و مهره کلاس 10.9 تنسایل 1040 مگا پاسکال و مقاومت خستگی 940 دارد و بر روی آن مهره کلاس 10 و یا بالاتر از 10 بسته میشود. از آنها در سازه های ساختمانی، سوله سازی ها، دکل های مخابراتی، پل سازی، سد سازی و صنایع نفت و گاز به وفور استفاده میشود و معمولا با پوشش گالوانیزه و یا داکرومات عرضه میشوند.

پیچ و مهره کلاس 12.9

پیچ و مهره کلاس 12.9 پرکربن ترین مفتول فولادی در تولید پیچ و مهره را دارد که علاوه بر کربن بالا عملیات سخت کاری حرارتی نیز بر روی مفتول آن انجام شده است. مقاومت خستگی 1100 و تنسایل مقاومتی 1220 مگا پاسکال دارد و سختی آن 38 الی 44 راکول می باشد و معمولا طبق استاندارد ASTM F568 تولید میشود.

پیچ و مهره کلاس 12.9 بسیار سخت و در عین حال ترد بوده و همراه با مهره کلاس 12 استفاده میشود. این کلاس در دستگاه بین المللی با گرید 8 در دستگاه آمریکایی مقایسه میشود و برای هر میلی متر مربع سطح مقطع پیچ بار 120 کیلوگرم و یا 1177 نیوتن را تحمل می کند.

پیچ و مهره های کلاس 12.9 طبق عدد دوم بیان شده در کلاس آنها می توانند باری برابر 90 درصد بار اسمی خود را بدون تغیر شکل تحمل کنند بنابر این از آنها در صنعت ساختمانی، پل سازی و سد سازی و دکل ها استفاده بسیار می شود.

استاندارد مهره های متریک

مهره های شش گوش که در اتصال پیچ شش گوش و استاد بولت ها مورد استفاده قرار میگیرند از داخل رزوه شده و در واقع قطر داخلی قابل اندازه گیری آنها معرف قطر اسمی مهره نبوده چرا که از هر طرف 0.65 میلیمتر در سیستم متریک یعنی در مجموع 1.3 میلیمتر کمتر از قطر اسمی مهره قابل اندازه گیری هستند.

مهره های شش گوش نحوه اتصال بسیار مناسب با مقاومت کششی، فشاری و پیچشی بسیار بالایی را در اتصالات پیچ و مهره ای بوجود می آورند و در نتیجه اتصالات پیچ و مهره ای همواره بعنوان مناسب ترین و اولین انتخاب مهندسین و تکنسین ها در صنایع مختلف مطرح هستند.

بر خلاف پیچ ها که معمولا به روش فورج سرد تولید میشوند مهره ها از روش فورج گرم از مفتول هایی با متریال مختلف از فولاد کم کربن کلاس 5 تا فولاد پر کربن کلاس 12 تولید میشوند و همین کلاس نیز بصورت تک عددی بر روی سطح مهره قید میگردد.

از نظر مهندسی پیشنهاد میشود مهره ای که روی پیچ بسته میشود از کلاس خود پیچ بوده و یا یک کلاس بالاتر باشد. موضوعی که متاسفانه در بسیاری از صنایع نادیده گرفته شده برای کاهش هزینه ها کلاس مهره چندان مورد توجه قرار نمی گیرد.

استاندارد مهره ها

مهره ها طبق استاندارد های مختلف ساخته میشوند که این استاندارد ها بیانگر نوع دنده ریز و درشت، متریک و غیر متریک و همچنین گوشت و ضخامت مهره ها، پوشش سطحی و متریال آنها می باشد. معروفترین استاندارد های مهره ها در اتصال پیچ شش گوش DIN934 و در اتصال استاد بولت ها استاندارد ASTM A194 می باشد.

اطلاعات سایز مهره با طول گام برای استاندارد DIN 934 و یا معادل آن استاندارد ISO4032 در زیر آورده شده است. رزوه های مهره در این استاندارد از کلاس 6H از DIN13 تبعیت میکند که در دسته دنده های درشت یا Coarse می باشد.

پیچ و مهره گرید 2

پیچ و مهره گرید 2 در دستگاه آمریکایی که هیچ علامتی از خطوط و اعداد روی گل آن وجود ندارد از فولاد کم کربن تولید شده که درجه پایینی از استقامت و تنسایل را دارد. بار پروف این گرید از پیچ و مهره بین 33000 الی 55000 psi و با تنسایل بین 60000 الی 74000 psi دارد.

پیچ و مهره های گرید 2 در دستگاه آمریکایی با استاندارد ASTM A307 مقایسه میشوند و در کل کارایی آنها بیشتر به عنوان اتصالات سبک بوده و با پیچ آهن 5.6 از نظر سختی مقایسه میشوند.

پیچ و مهره گرید 5

پیچ و مهره گرید 5 که با سه خط بر روی گل آن مشخص هستند از فولاد با درصد کربن متوسط تولید شده که روی آن عملیات حرارتی صورت گرفته است.

از نطر سختی و تنسایل نسبت به گرید 8 به میزان بسیار قابل توجهی پایینتر بوده و بیشتر در اتصالات ماشین آلات از آنها به وفور استفاده میشود.
پیچ و مهره گرید 5 در دستگاه آمریکایی با کلاس 8.8 در دستگاه استاندارد بین المللی مقایسه میشود و عملیات سخت کاری آنها در فشار اتمسفر برای قطر های بیشتر از 4/1 اینچ انجام میگیرد.

تنسایل سختی پیچ و مهره گرید 5 تا 120000 psi برای قطر تا یک اینچ و تا 105000 psi برای قطر های بالاتر از یک اینچ است.

پیچ و مهره گرید 8

پیچ و مهره گرید 8 بالاترین تنسایل و سختی را از انواع متریال تولیدی پیچ و مهره دارند که تنسایل 150000 psi دارند . از فولاد با درصد کربن بالا تشکیل شده اند که عملیات حرارتی جهت سخت کاری بر روی آنها انجام گرفته است.

به دلیل سختی بسیار بالا در صنایع هوافضا، تانک سازی، صنایع نظامی، ماشین های آف رود و غیره استفاده میشوند و با کلاس 12.9 در سیستم بین المللی و با استاندارد ASTM A325 مقایسه میشوند.

نماد ظاهری پیچ گرید 8 در سیستم آمریکایی شش خط بر روی گل آنهاست و همانطور که پیشتر نیز قید شد بدلیل تنش برشی، کششی، پیچی بسیار بالایی که دارند بیشتر در صنایع فوق سنگین و نظامی مصرف میشوند و با قطر 4/1 الی 1 2/1 اینچ تولید میشوند.

آنچه روشن است مقایسه پیچ و مهره SAE j429 Grade 8 با پیچ و مهره ASTM A 325 از هر نظر مخصوصا مقایسه استقامت کششی، خمشی و تنسایل کاملا نا مرتبط است چرا که پیچ گرید 8 از هر نظر بسیار قدرتمند تر و تواناتر از مورد مقایسه بوده و شاید بتوان آن را در مقایسه نزدیکتر کنار ASTM A 490 قرار داد.