Przewodnik po doborze i bezpiecznym użytkowaniu śrub metrycznych ISO w konserwacji

Wyobraź sobie precyzyjne urządzenie o wysokiej wartości, które staje się niesprawne z powodu awarii jednej małej śruby – wynikające z tego straty mogą być katastrofalne. W konserwacji mechanicznej śruby i nakrętki mogą wydawać się nieistotne, ale są kluczowe dla zapewnienia bezpiecznej i stabilnej pracy sprzętu. Jednak przy ogromnej różnorodności dostępnych śrub i nakrętek metrycznych, jak można je dokładnie zidentyfikować, prawidłowo dobrać i bezpiecznie zamocować? Ten przewodnik zawiera jasne, praktyczne instrukcje dotyczące tych zadań.

W montażu i konserwacji nowoczesnych maszyn śruby i nakrętki odgrywają istotną rolę. Są kluczowymi elementami, które łączą różne części, zapewniając integralność strukturalną sprzętu. Na pierwszy rzut oka wszystkie śruby metryczne mogą wyglądać podobnie, ale w rzeczywistości różnią się znacznie rodzajem gwintu, klasą wytrzymałości i specyfikacjami wymiarowymi. Niewłaściwy dobór lub użytkowanie może prowadzić do awarii sprzętu, a nawet zagrożeń dla bezpieczeństwa. Dlatego głębokie zrozumienie charakterystyki śrub i nakrętek metrycznych, wraz z odpowiednim doborem i technikami mocowania, jest niezbędne dla personelu konserwacji mechanicznej.

Ten przewodnik jest przeznaczony dla profesjonalistów pracujących w fabrykach i konserwacji mechanicznej, zapewniając podstawową wiedzę na temat śrub i nakrętek metrycznych ISO, aby pomóc im w prawidłowej identyfikacji i użyciu części zamiennych, zapewniając bezpieczną i niezawodną pracę sprzętu. Skupimy się na najczęściej używanych śrubach i nakrętkach metrycznych w środowiskach przemysłowych i zaoferujemy praktyczne wskazówki dotyczące identyfikacji i zastosowania.

Norma ISO definiuje wiele specjalistycznych typów gwintów, ale w większości urządzeń mechanicznych powszechnie stosowane są tylko dwa: skok standardowy i skok drobny. Inne typy gwintów są przeznaczone głównie do specjalistycznych urządzeń, takich jak precyzyjne instrumenty lub sprzęt optyczny.

Skok odnosi się do odległości między sąsiednimi gwintami, mierzonej w milimetrach. Gwinty o skoku standardowym nadają się do większości połączeń ogólnego przeznaczenia, podczas gdy gwinty o skoku drobnym są używane tam, gdzie wymagana jest wyższa siła blokowania lub odporność na wibracje.

Poniższa tabela przedstawia najczęstsze kombinacje średnic gwintów i skoków w maszynach przemysłowych:

Z wyjątkiem śrub i nakrętek o najniższej klasie, wszystkie metryczne elementy złączne posiadają oznaczenia identyfikujące wytrzymałość. Oznaczenia te pomagają szybko i dokładnie określić ich nośność.

Łby śrub są zwykle oznaczone dwoma liczbami oddzielonymi kropką. Pełny zakres obejmuje dziesięć klas od 3.6 do 14.9, ale w ustawieniach przemysłowych powszechne klasy to 8.8, 9.8, 10.9 i 12.9. Łeb śruby zawiera również kod producenta (zazwyczaj dwa lub trzy znaki).

Pierwsza liczba wskazuje wytrzymałość na rozciąganie stali śruby, mierzoną w przybliżeniu w 10 kg na milimetr kwadratowy powierzchni przekroju. Na przykład śruba klasy 12.9 wytrzyma co najmniej 120 kg na milimetr kwadratowy przed pęknięciem. Podobnie, śruba klasy 8.8 ma obciążenie niszczące 80 kg na milimetr kwadratowy.

Gdy śruba stopniowo znosi obciążenie, wydłuża się nieznacznie, jak sprężyna. Jeśli obciążenie zostanie zwolnione, powraca do pierwotnej długości. Istnieje jednak granica, poza którą śruba nie odzyska w pełni swojego kształtu i zamiast tego trwale się rozciągnie – to granica plastyczności. Druga liczba na łbie śruby reprezentuje procent wytrzymałości na rozciąganie, jaką śruba może wytrzymać, zanim rozpocznie się rozciąganie.

Na przykład śruba klasy 12.9 zaczyna się rozciągać, gdy obciążenie osiąga 90% obciążenia niszczącego. Podobnie, śruba klasy 9.8 zaczyna się rozciągać przy 80% obciążenia niszczącego.

Oznaczenia wytrzymałości na nakrętkach są często trudniejsze do zidentyfikowania niż na śrubach. Mogą pojawiać się jako liczby lub jako wzory kropek i linii, gdzie pozycja linii przypomina wskazówki zegara wskazujące klasę.

Klasa nakrętki powinna zawsze pasować lub przekraczać klasę śruby o jeden poziom. Na przykład śruba klasy 8.8 powinna pasować do nakrętki klasy 8 lub 9. Śruba klasy 12.9 powinna pasować do nakrętki klasy 12 lub 14.

Jak wspomniano wcześniej, gdy śruba stopniowo znosi obciążenie, osiąga granicę plastyczności (gdzie rozpoczyna się trwałe rozciąganie). Jeśli obciążenie nadal rośnie, śruba osiąga punkt zerwania. Normy definiują „obciążenie próbne”, zwykle 90% obciążenia wymaganego do rozciągnięcia śruby.

W praktyce producenci często projektują maszyny tak, aby śruby znosiły obciążenia znacznie poniżej obciążenia próbnego, zapewniając solidny współczynnik bezpieczeństwa.

Śruby o skoku drobnym są zwykle o 10% mocniejsze niż śruby o skoku standardowym, ponieważ podczas gwintowania usuwa się mniej metalu.

Zalecane maksymalne momenty obrotowe w poniższej tabeli zakładają lekko nasmarowane gwinty. Dokręcenie śruby do określonego momentu obrotowego powinno ustawić naprężenie w śrubie na około 85% obciążenia próbnego, co odpowiada 62% obciążenia niszczącego.

Używaj tych wartości momentu obrotowego tylko wtedy, gdy producent maszyny nie określił ustawienia momentu obrotowego.

Śruby i nakrętki o skoku drobnym są zwykle używane tylko w szczególnych przypadkach, a dokumentacja konserwacji producenta powinna określać wymagany moment obrotowy dla każdego zastosowania.

Gwinty o skoku drobnym są często używane, gdy śruby są wkręcane w bloki z miękkiego metalu (np. odlewy aluminiowe), gdzie gwinty w bloku mogą być znacznie słabsze niż śruba i zwykle wymagają mniejszego momentu obrotowego, aby uniknąć zerwania gwintu.

Wiele czynników wpływa na wytrzymałość części gwintowanych, w tym metody produkcji, wykończenie powierzchni i precyzja kształtu gwintu.

Wytrzymałość połączenia gwintowanego zależy od jego najsłabszego elementu. Na przykład, jeśli śruba o wysokiej wytrzymałości jest wkręcana w bardziej miękki, bardziej plastyczny materiał (np. stop aluminium lub stal niskowęglowa), to miększa część określa maksymalny bezpieczny moment obrotowy.

Częściej śruby muszą wytrzymać nie tylko obciążenia rozciągające od dokręcania, ale także obciążenia boczne lub „ścinające”. Typowym przykładem są dwie płyty skręcone razem i poddane działaniu sił, które przykładają obciążenia ścinające do śruby.

Jeśli przyłożone obciążenie jest bardzo małe, tarcie między płytami spowodowane dokręceniem śruby może zapobiec ruchowi. Jednak, o ile nie zostaną zainstalowane kołki ustalające, aby znosić obciążenie ścinające, śruba ostatecznie doświadczy zarówno naprężeń ścinających, jak i rozciągających. Połączenie tych naprężeń powoduje większe całkowite naprężenie niż każde z osobna, więc obciążenie wstępne śruby może wymagać obniżenia w stosunku do maksymalnych wartości, aby uwzględnić dodatkowe naprężenia od ścinania.

Jako wskazówka, zmniejszenie momentu dokręcania o 10% pozwala na wykorzystanie 35% obciążenia znamionowego śruby do obsługi sił ścinających bez przeciążania.

Inżynierowie projektanci muszą wziąć pod uwagę wszystkie te czynniki i mogą określić mniejszy moment obrotowy, szczególnie w urządzeniach podnoszących wymagających wysokich marginesów bezpieczeństwa.

Zawsze należy odwoływać się do dokumentacji konserwacji producenta maszyny w celu uzyskania określonych wartości momentu obrotowego dla śrub i nakrętek w zastosowaniach podnoszenia i przenoszenia obciążeń.

Poniższa tabela przedstawia prawidłowe rozmiary kluczy i kluczy imbusowych dla najpopularniejszych rozmiarów śrub i nakrętek w maszynach przemysłowych.

Aby zminimalizować ryzyko poślizgu klucza i uszkodzenia krawędzi elementów złącznych, używaj klucza oczkowego (lub oczkowego klucza płasko-oczkowego) zawsze, gdy to możliwe.

Śruby metryczne są produkowane nieco mniejsze niż ich nominalny rozmiar – na przykład śruba M16 ma zwykle średnicę trzpienia 15,97 mm. Oznacza to, że śruba 16 mm może przejść przez otwór 16 mm, ale aby uwzględnić niewspółosiowość między częściami, otwory przelotowe są zwykle wiercone nieco większe.

Poniższa tabela zawiera typowe rozmiary otworów przelotowych i prawidłowe rozmiary wierteł do gwintowania dla gwintów o skoku standardowym i drobnym.

W przypadku gwintów metrycznych rozmiary wierteł do gwintowania są łatwo obliczane jako średnica śruby minus skok gwintu. Na przykład śruba M16 o skoku standardowym o skoku 2,0 mm wymaga wiertła do gwintowania o rozmiarze 16 – 2 = 14 mm.

Podczas gwintowania otworów, szczególnie w przypadku rozmiarów M10 i mniejszych, często wyjmuj gwintownik, aby usunąć wióry metalu i zapobiec pękaniu.

Podczas dokręcania śruby w gwinty lub zespołu nakrętka-śruba w celu ściśnięcia części razem, przyłożony moment obrotowy generuje naprężenie rozciągające w trzpieniu śruby.

Rzeczywista siła w śrubie zależy od czynników takich jak kształt gwintu, skok, wykończenie powierzchni i smarowanie. W większości standardowych przypadków ze słabo nasmarowanymi śrubami metrycznymi, siłę można przybliżyć jako:

Siła = 5 × Moment obrotowy / Średnica

Gdzie siła jest w niutonach (N), moment obrotowy w niutonometrach (Nm), a średnica w metrach (m). Na przykład śruba M16 dokręcona do 247,5 Nm generuje:

Siła = 5 × 247,5 Nm / 0,016 m = 77 344 N (77,3 kN)

Aby przeliczyć niutony na kilogramy-siły (kgf), należy podzielić przez 9,81 (lub 10 dla szybkich szacunków), co daje 7884 kgf obciążenia śruby.

Suche gwinty zwiększają tarcie, co skutkuje mniejszą siłą.

Połączenia śrubowe zwykle ulegają uszkodzeniu na trzy sposoby: uszkodzenie ścinające, pęknięcie rozciągające lub zerwanie gwintu.

Pęknięcie rozciągające (pęknięcie śruby) występuje w wyniku przeciążenia połączenia lub nadmiernego dokręcenia. Śruby często pękają w miejscu, gdzie gwint styka się z trzpieniem.

Uszkodzenie ścinające występuje, gdy siły boczne przekraczają nośność śruby, często nasilone przez nadmierne dokręcenie, pozostawiając brak rezerwy wytrzymałości dla obciążeń ścinających. Oba rodzaje uszkodzeń występują zwykle na początku lub na końcu cyklu życia komponentu.

Częstą awarią serwisową jest sytuacja, w której obciążenia boczne odrywają nakrętki ze śrub, powodując kaskadowe awarie. Stożkowatość gwintu prowadzi do rozszerzania się nakrętki, zmniejszając zazębienie gwintu, aż metal ulegnie i gwinty zostaną zerwane.