Śruby i gwinty
około 400 p.n.e. Grecki filozof Archytas z Tarentu wspomina w swoich pismach o spiralnej konstrukcji umieszczonej w drewnianym cylindrze, co uznaje się za pierwszy historycznie opis śruby, która jak się podejrzewa była używana już wcześniej przez starożytnych Egipcjan.
III w. p.n.e. Pierwowzorem mechanizmu śrubowego była tzw. śruba Archimedesa (1), nie będąca elementem złącznym, a urządzeniem do podnoszenia poziomu wody. Choć wynalazek ten jest powszechnie przypisywany Archimedesowi (ok. 287–212 r. p.n.e.), to najprawdopodobniej nie wymyślił go sam, lecz opisał znane wcześniej Egipcjanom i Babilończykom rozwiązanie.
Śruba Archimedesa używana jest od czasów starożytnych do nawadniania kanałów irygacyjnych. W Holandii służyła do osuszania terenów położonych poniżej poziomu morza. Obecnie ze względu na takie zalety jak nieczułość na zanieczyszczenia, odporność na niskie temperatury oraz niezawodność działania, coraz częściej wykorzystuje się ten mechanizm do transportu ścieków.
starożytność i średniowiecze Śruby są używane w Europie powszechnie w prasach do wina i oliwy. Ich działanie polegało na obracaniu śruby, która dociskała owoc do perforowanego kosza, wyciskając sok lub olej.
XV w. Najwcześniejsze udokumentowane wkrętaki (śrubokręty) były używane w późnym średniowieczu. Zostały one prawdopodobnie wynalezione pod koniec XV wieku w Niemczech lub we Francji. Oryginalne nazwy narzędzia w języku niemieckim i francuskim brzmiały odpowiednio Schraubenzieher i tournevis. Pierwsza dokumentacja tego narzędzia znajduje się w średniowiecznej księdze domowej zamku Wolfegg, manuskrypcie napisanym między 1475 a 1490 r. Te najwcześniejsze miały uchwyty w kształcie gruszki i były przeznaczone do śrub z rowkiem.
1564 Pierwsze wzmianki o wkrętach, wykonanych z drewna, jako elementach łączących. Opisał je francuski architekt Philibert Delorme. Miały gwintowaną część na końcu i służyły do łączenia belek.
1568 Prawdopodobnie pierwsza maszyna używana do produkcji śrub i wkrętów została wyprodukowana przez Jacquesa Bessona we Francji, który opisał ją podobnie jak wiele innych skonstruowanych przez siebie urządzeń w dziele pt. „Theatrum Instrumentorum et Machinarum” (2). Stworzył on również płytę do wycinania gwintów współpracującą z tokarkami, która została później udoskonalona i wprowadzona do szerszego obiegu przez angielską firmę Hindley of York.
XVII w. Szereg nowych zastosowań konstrukcji śrubowych. W 1629 roku śruby zostały po raz pierwszy zastosowane w prasie drukarskiej Holendra Willema Blaeu. W latach 1664–65 Christiaan Huygens skonstruował pierwsze zegarki z regulowaną sprężyną balansową wykorzystującą mechanizm śrubowy do naciągania.
XVIII w. Pomysł na wykorzystanie śruby do łączenia poszczególnych elementów na skalę przemysłową datuje się dopiero na osiemnasty wiek. Wcześniej do spajania elementów używano drewnianych kołków lub metalowych gwoździ, prostych lub zakrzywionych. I to te ostatnie wskazały ścieżkę dla zastosowania śruby. Nie oznacza to, że już wcześniej, w czasach nowożytnych, nie próbowano wykorzystać koncepcji łączenia elementów za pomocą śrub, ale były to przypadki odosobnione, które się nie upowszechniały. Ze śrubą eksperymentował Brunelleschi czy Leonardo da Vinci. Opracowywane przez nich konstrukcje maszyn budowlanych lub wojennych, oblężniczych były zapowiedzią przyszłości.
1710 Christopher Polhem ze Szwecji opracowuje śrubę pociągową, która zamienia ruch obrotowy na ruch postępowy i zapewnia napęd dla przesuwania części lub suportu obrabiarki.
1750 Antoine Thiout, francuski zegarmistrz, wprowadza innowację polegającą na wyposażeniu tokarki w napęd śrubowy umożliwiający półautomatyczne przesuwanie wzdłużne wózka narzędziowego (3). Śruby o drobnym skoku są niezbędne w wielu różnych instrumentach, takich jak mikrometry. Do wykonania takiego gwintu niezbędna była tokarka.
1760 Anglicy, bracia Hiob i William Wyatt, opatentowali maszynę do pierwszej przemysłowej produkcji śrub (4). Urządzenie pozwalało wykonać dziesięć śrub na minutę. Ich maszyna wykorzystywała ona śrubę pociągową do prowadzenia frezu w celu uzyskania pożądanego skoku, a szczelina była wycinana za pomocą pilnika obrotowego, podczas gdy główne wrzeciono pozostawało w bezruchu.
Dopiero w 1776 roku bracia Wyatt uruchomili fabrykę wkrętów do drewna. Ich przedsięwzięcie nie powiodło się, ale nowi właściciele wyprowadzili je na prostą, a w latach 80. XVIII wieku produkowali 16 tysięcy wkrętów dziennie, zatrudniając zaledwie trzydziestu pracowników.
1777 Angielski fabrykant Jesse Ramsden (1735–1800) zajmował się produkcją narzędzi i instrumentów, a w 1777 roku wynalazł pierwszą zadowalającą tokarkę do cięcia śrub.
ok. 1795 Pierwszą tokarkę do wytwarzania śrub skonstruował Anglik Henry Maudslay (5), zaś rok później podobne urządzenie zaprezentował amerykański wynalazca David Wilkinson. Wynalazek Brytyjczyka to pierwsza tokarka do metali z suportem krzyżowym napędzanym śrubą pociągową, co pozwalało precyzyjne nacinanie gwintów. Urządzenie przyczyniło się do standaryzacji produkcji śrub i zapoczątkowało wielkoprzemysłową ich produkcję, a konstruktor założył własną fabrykę tokarek, napędzanych silnikami parowymi.
XIX w. Pojawienie się i rozwój tokarki rewolwerowej i wywodzących się z niej automatów śrubowych (lata siedemdziesiąte XIX wieku) skokowo obniżył koszt jednostkowy gwintowanych elementów złącznych poprzez coraz większą automatyzację sterowania narzędziem maszynowym. Redukcja kosztów spowodowała coraz większe wykorzystanie śrub.
1836 Joseph Whitworth patentuje narzynkę do wykonywania gwintów zewnętrznych. W połączeniu z jego gwintownikiem umożliwiła ona produkcję precyzyjnych gwintów na skalę masową. Whitworth jako pierwszy zastosował narzynki 3-częściowe.
1841–64 Brak standaryzacji gwintów sprawił, że wymienność elementów złącznych stała się problematyczna. Aby przezwyciężyć te problemy, Joseph Whitworth zebrał próbki śrub z wielu brytyjskich warsztatów i przedstawił dwie propozycje: kąt nachylenia boków gwintu powinien być znormalizowany i wynosić 55 stopni a liczba nacięć gwintu na cal powinna być znormalizowana dla różnych średnic. Jego propozycje stały się standardową praktyką w Wielkiej Brytanii w latach 60. XIX wieku.
W 1864 roku w Ameryce William Sellers niezależnie zaproponował inny standard oparty na nachyleniu gwintu 60 stopni i różnych skokach gwintu dla różnych średnic. Został on przyjęty jako standard amerykański, a następnie przekształcony w amerykańską standardową serię grubozwojną (NC) i serię drobnozwojną (NF). Ten gwint miał płaskie dna bruzdy i szczyty, co sprawiało, że śruba była łatwiejsza do wykonania niż standard Whitwortha, który miał zaokrąglone dna i szczyty.
Mniej więcej w tym samym czasie w Europie kontynentalnej zaczęto przyjmować metryczne standardy gwintów z wieloma różnymi kątami zarysu gwintu. Na przykład niemiecki gwint Loewenherz miał kąt boku gwintu 53 stopnie i 8 minut, a szwajcarski gwint Thury kąt 47,5 stopnia. Standardowy międzynarodowy gwint metryczny ostatecznie wyewoluował z niemieckich i francuskich standardów metrycznych opartych na kącie boku 60 stopni. Potem Wielka Brytania, Kanada i Stany Zjednoczone wprowadziły Zunifikowany Gwint Śrubowy (Unified Screw Thread) używany do dzisiaj. Ta koncepcja z pewnymi modyfikacjami została przyjęta przez Międzynarodową Organizację Normalizacyjną (International Standards Organization) przy standaryzacji gwintów metrycznych o różnych zarysach (6).
1870 Christopher M. Spencer patentuje automat tokarski, który pozwalał gwintować na potrzeby produkcji masowej, napędzany za pomocą wału. Stosowany był m.in. w fabryce maszyn do szycia Singera.
1911 Przez cały XIX wiek w łbach śrub stosowano najczęściej proste rowki do płaskiego wkrętaka oraz kwadraty i sześciokąty do pracy z kluczem zewnętrznym. Były one łatwe w obróbce i dobrze sprawdzały się w większości zastosowań. Gdy do ręcznych śrubokrętów dołączyły wkrętarki ułatwiające szybkie wkręcanie śrub, proste nacięcia w łebkach stały się problemem. Aby wkręcić taką śrubę najpierw trzeba było odpowiednio ustawić wkrętarkę, aby w ogóle była w stanie wkręcić śrubę oraz, aby nie zniszczyć urządzenia i samej śruby, co przy masowej produkcji było na swój sposób czasochłonne.
Wielu konstruktorów próbowało rozwiązać ten problem, a przełom zapoczątkował Peter L. Robertson, który zaprojektował śrubę z kwadratowym wycięciem na główce (7). Oczywiście wymagała ona zastosowania odpowiedniego śrubokrętu, innego niż dotychczasowe, ale znacząco ułatwiała pracę. Wynalazek Robertsona został opatentowany i stopniowo zaczął zyskiwać popularność.
1933–36 Jedną z wad rozwiązania Robertsona było dosyć częste zjawisko wypadania wkrętarki, a dodatkowo brak możliwości stosowania standardowych, płaskich śrubokrętów, które były już bardzo popularne. Już po wygaśnięciu patentu Robertsona (w 1928 roku), inny konstruktor, John P. Thompson zaprojektował śrubę, w której wycięcie na łebku miało kształt krzyża i odpowiedni, pasujący do tego wkrętak.
Początkowo pomysł Thompsona nie zyskał popularności, ponieważ wielu producentów uważało, że technicznie nie było możliwości produkowania na masową skalę takich śrub. Dopiero Henry F. Phillips dostrzegł potencjał w projekcie swojego przyjaciela i postanowił go spopularyzować. Po wprowadzeniu drobnych poprawek, w 1934 roku założył firmę Phillips Screw Company. Po odkupieniu w 1935 roku patentu od Thompsona, rozpoczął produkcję nowych śrub w 1936 roku na podstawie nowego patentu (8). Krzyżowe nacięcie ułatwiało wkręcanie i wykręcanie. Ciekawostką jest to, że już około sześćdziesiąt lat wcześniej angielski wynalazca John Frearson opatentował śrubę z „otworem w kształcie krzyża”, jednak wtedy ta konstrukcja się nie przyjęła.
1936 W Niemczech powstają śruby z nacięciem w formie sześciokąta. Zaprojektowano je w firmie Bauer & Schaurte Karche z Neuss. Po niemiecku nazywano je Innensech-skantschraube Bauer und Schaurte - po polsku imbus. Dalszym rozwinięciem imbusów było powstanie systemu Torx, który dzięki zastosowaniu mocniejszych materiałów i nacięć w formie sześcioramiennej gwiazdy pozwala na przenoszenie większej siły niż imbus. W późniejszych latach i dekadach eksperymentowano i wprowadzano kolejne warianty nacięć (9).
Rodzaje śrub i gwintów
Śruby to maszyny proste służące do łączenia ze sobą różnych elementów. Gwinty to definicyjnie część konstrukcji śruby.
Jeśli chodzi o śruby to mamy do czynienia z wielką różnorodnością konstrukcji, które trudno ująć w pełnej klasyfikacji. Na rynku występuje wiele rodzajów śrub, różniących się pomiędzy sobą rozmiarem (średnicą oraz długością trzpienia), kształtem łba, zakończeniem, rodzajem gwintu oraz długością gwintu w stosunku do długości trzpienia.
Ze względu na kształt łbów możemy wyróżnić kilkanaście rodzajów, wśród których najbardziej rozpowszechnionym jest śruba z łbem sześciokątnym. Jest bardzo wytrzymała i stosuje się ją przy łączeniach, narażonych na duże obciążenia. Śruby skrzydełkowe (motylkowe) montowane są w elementach, wymagających regulacji, np. teleskopowych. Śruby z oczkiem lub uchem służą z kolei do mocowania lin, holowania i przenoszenia elementów o niewielkiej wadze. Śruby z łbem stożkowym natomiast najczęściej wykorzystywane są w branży meblarskiej - przy skręcaniu desek czy mocowaniu zawiasów. Dzięki specyficznej budowie, śruba ta nie wystaje ponad płaszczyznę materiału. Poza wymienionymi, występują również śruby z łbem czworokątnym i trójkątnym, a także grzybkowym, kulistym, walcowym, młoteczkowym, a nawet śruby bez łba - z gniazdem.
Śruba może występować z gwintem na całej długości lub tylko na części. Może również posiadać dodatkowe elementy takie, jak nosek czy wieniec. Typy śrub można ponad to klasyfikować w oparciu kryterium zakończenia lub gniazda. Najczęściej stosowanym gniazdem jest gniazdo sześciokątne, ale można również spotkać w jego miejscu wgłębienie krzyżowe lub rowek. Z kolei najczęstsze zakończenia śrub to: płaskie, soczewkowe, ścięte, stożkowe i wgłębione.
Gwinty
Gwinty przede wszystkim klasyfikuje się ze względu na system miar - na metryczne, w przypadku, gdy kąt zarysu gwintów wynosi 60°, a wymiar skoku jest podany w milimetrach i calowe, jeśli kąt zarysu gwintów wynosi 60° albo 55°, a wymiar skoku jest podawany w ilości zwoi gwintu na jeden cal.
Gwinty dzielone są także ze względu na ich kształt. Ty wyróżnia się m.in. gwint do drewna, gwint okrągły, gwint prostokątny, gwint rowerowy, gwint stożkowy, gwint toczny, gwint trapezowy niesymetryczny, gwint trapezowy symetryczny, gwint trójkątny, gwint walcowy. Nazwy - gwintów trójkątnych, stożkowych, trapezowych i innych wywodzą się z kształtu zarysu.
Innym podziałem jest ten, w którym wyróżniamy gwint wewnętrzny i zewnętrzny. Gwinty dzielimy też względu na kierunek obrotu: prawy (gwint śruby należy wkręcać w prawo, zgodnie z ruchem wskazówek zegara) i lewy (gwint śruby trzeba wkręcać w lewo, przeciwnie do ruchu wskazówek zegara).
Jest też klasyfikacja uwzględniająca stosunek podziałki do średnicy. W niej wyróżnia się takie typy gwintów:
- gwint zwykły, o wartości skoku dla danej średnicy zgodnej z Polską Normą,
- gwint drobny, o wartości skoku dla danej średnicy mniejszej niż dla gwintu zwykłego,
- gwint gruby, o wartości skoku dla danej średnicy większej niż dla gwintu zwykłego.
M.U.
