Meccanismi: la filettatura

Tengono insieme tutto, dall'orologio più delicato al ponte più grande. Il mondo è letteralmente impedito da viti e bulloni, eppure spesso non pensiamo a questi meccanismi. In parte ciò è probabilmente dovuto al fatto che siamo diventati così bravi a realizzarli che sono visti come prodotti a buon mercato, ma la fisica e l'ingegneria dietro la filettatura della vite sono cose interessanti.

Probabilmente tutti ricordiamo una delle prime lezioni di scienze in cui venivano delineati gli elementi costitutivi di base di tutti i meccanismi. Le macchine semplici sono meccanismi che utilizzano una forza applicata per compiere un lavoro, come il piano inclinato, la leva e la puleggia. Ad esempio, un piano inclinato, a forma di cuneo spaccato, dirige la forza dei colpi contro la sua faccia piatta in un pezzo di legno, separando il legno.

Le filettature delle viti sono un'altra macchina semplice e possono essere pensate come un lungo piano inclinato leggermente inclinato avvolto attorno a un cilindro. Ritaglia un lungo triangolo rettangolo dalla carta, avvolgilo attorno a una matita iniziando dall'estremità grande e l'ipotenusa forma una rampa elicoidale che assomiglia proprio a un filo. Naturalmente, affinché la filettatura di una vite possa svolgere qualsiasi lavoro, deve sporgere più dello spessore di un pezzo di carta e la forma della sporgenza determina le proprietà meccaniche della vite.

Il profilo di filettatura più comune è la semplice filettatura a V, con le facce opposte della filettatura che formano un angolo di 60°. Questo angolo della filettatura è un compromesso che bilancia l'efficienza, il tasso di usura, la resistenza e, soprattutto, l'attrito delle filettature. Insieme al passo, o al numero di filetti per unità di lunghezza, l'attrito del filo contribuisce alla proprietà autobloccante o "non revisionabile" della maggior parte delle filettature. Le filettature autobloccanti convertono facilmente una forza rotazionale in una forza assiale, ma non il contrario. È facile vedere questa proprietà in azione: un dado gira facilmente su una vite con la pressione delle dita, ma spingi il dado più forte che puoi lungo l'asse lungo della vite e la vite non inizierà a girare. L'autobloccaggio impedisce agli strumenti come i martinetti di srotolarsi sotto carico.

I profili della filettatura della vite possono essere modificati rispetto al profilo a V standard per prestazioni migliori sotto carichi diversi. Il profilo Acme, di forma trapezoidale con facce che formano un angolo compreso di 29° e con grandi creste e radici piatte, è particolarmente adatto ad applicazioni ad alto carico come morse e morsetti. Si trova anche nelle viti di comando come quelle utilizzate negli attuatori lineari presenti in qualsiasi cosa, dai lettori DVD alle macchine CNC. Il profilo Acme si trova anche nelle viti di comando della maggior parte dei torni metallici perché funziona bene con i dadi divisi. I dadi divisi sono proprio quello che sembrano: un elemento filettato internamente che è stato diviso longitudinalmente e può essere aperto e chiuso attorno a una vite di comando. Questo viene utilizzato vantaggiosamente nelle operazioni di filettatura, in cui il dado diviso si chiude attorno alla vite di comando all'inizio del taglio della filettatura e si apre alla fine del taglio, avviando e arrestando il movimento dell'utensile da taglio contro il pezzo in lavorazione in posizioni ripetibili.

Per le filettature di precisione e la produzione in volumi ridotti, sono comuni le filettature tagliate. Le filettature tagliate vengono prodotte in un tornio o in una macchina CNC rimuovendo materiale per formare il profilo della filettatura, sia con un utensile da taglio traslato longitudinalmente contro un pezzo rotante, o con un maschio (per filettature interne) o una filiera (per filettature esterne ).

Tuttavia, tagliare le filettature richiede molto tempo, quindi per la produzione di massa, le filettature esterne vengono generalmente formate con un'operazione di rullatura. Un pezzo grezzo forgiato viene bloccato saldamente tra una coppia di matrici scanalate, una delle quali è fissa. La matrice opposta si muove perpendicolarmente all'asse lungo sul pezzo grezzo, premendovi il profilo della filettatura. Poiché nessun materiale viene rimosso dal pezzo grezzo e poiché il materiale è incrudito, i fili rullati possono essere più resistenti dei fili tagliati. Anche il processo di laminazione è facile da automatizzare e le macchine laminatrici possono produrre migliaia di pezzi al minuto.

Le filettature interne dei dadi non si prestano alla laminazione, quindi la maggior parte dei dadi prodotti in serie vengono formati con un processo di forgiatura a caldo. I pezzi caldi di metallo vengono colpiti da matrici che formano il profilo della testa e perforano il foro centrale. Successivamente, i grezzi raffreddati vengono inviati ad una maschiatrice che taglia i filetti interni mediante un maschio.