لولبة القضبان

اللولب screw جسم أسطواني في سطحه أثلام (أخاديد) حلزونية متصلة helical grooves، يمكن أن يوصف اللولب بأنه قضيب أو وتد أو إسفين يدسر حلزونياً في جسم آخر، حيث يكون الشد بحركة دورانية، ويكون الفك بحركة معاكسة. واللولبة هي قطع ذلك الجسم بحيث تتشكل على سطحه أخاديد (أثلام) وأسنان (بروزات) حلزونية ذات مقطع ثابت. تستعمل اللوالب في التثبيت أو نقل الحركة أو وصل القطع بعضها ببعض.

لمحة تاريخية

كان ربط القطع المعدنية بعضها ببعض يتم قديماً بالبرشمة riveting على الساخن أو البارد. وكان لابتكار اللحام soldering دور كبير في تطوير تقنيات الوصل والربط في زمن قياسي. غير أن فصل القطع الملحومة صعب أو غير ممكن عملياً. وكان ابتكار المسامير الملولبة screws والبراغي bolts والصواميل (العزقات والجوزات) nuts وغيرها حلاً لهذه المشكلة. وتعددت فيما بعد أشكال القضبان الملولبة الأسطوانية والمخروطية وأنواعها بتصاميم مختلفة، حسب طبيعة استخدامها والغاية منها، كما تنوعت المعادن التي تصنع منها لتحتل المكانة الأولى في صناعة الآلات والمكنات. ولا يوجد جهاز واحد في العالم اليوم لا يحوي لوالب من نوع ما.

(الشكل 1) القوى المؤثرة على برغي التثبيت عند الحمل

(الشكل 2) المرفاع الملولب لرفع الأغراض الثقيلة

تصنيف اللوالب

يعتمد كل لولب أساساً على ما يسمى السن الحلزوني (القلاووظ) thread. واللوالب على هذا الأساس صنفان. الصنف الأول هو المستخدم في التثبيت fastener، وينسب إليه كل لولب تثبيت أو ربط من أي نوع كان، من البرغي والعزقة (الصمولة) إلى المسمار الملولب المستعمل في النجارة وحتى وصلات الأنابيب. أما الصنف الثاني فيستخدم أداة للتحريك وإحكام الوضع أو تقريب الأشياء بعضها من بعض، كعمود السحب الملولب lead screw وعمود المقود في السيارة ولولب المرفاع jack screw (الشكل2) ولوالب العيار والضبط في المجاهر والأنابيب وأجهزة المساحة والرصد الفلكي ومآخذ المصابيح الكهربائية وغيرها.

يختلف شكل سن اللولب (القلاووظ) في هذين الصنفين اختلافاً كبيراً. ومع أن أسنان لوالب التثبيت هي الأكثر شيوعاً، ويمكن أن تستخدم نفسها في لوالب التحريك، فإن العكس غير ممكن. وأسنان اللوالب القياسية المستخدمة اليوم هي المصنعة وفق مايأتي:

ـ النظام المتري القياسي الدولي (إيزو) International Standards Organization Metric- ISO. المصمم على أساس منظومة القياس العالمية SI.

ـ نظام الأنابيب القياسي البريطاني (أ ق ب) British Standard Pipe- BSP. مصمم على أساس البوصة (الإنش = 2.5سم).

ـ نظام الاتحاد البريطاني (أ ب) British Association- BA (البوصة).

وهناك أسنان بطل استخدامها، ولكن مازال وجودها محتملاً،  ويمكن أن تنتج بحسب الطلب كالسن القياسي البريطاني الناعم British Standard Fine thread- BSF، وسن وايتوورث القياسي البريطاني British Standard Whitworth thread- BSW. وهناك أسنان تستخدم أساساً في الولايات المتحدة الأمريكية كالسن الخشن الموحد Unified Coarse thread- UNC، والسن الناعم الموحد Unified Fine thread- UNF، وسن الأنابيب الوطني National Pipe Thread- NPT. غير أن معظم الدول تحول، أو في طريقه إلى التحول، إلى سلسلة السن المتري القياسي. مع عدّ السن القياسي البريطاني للأنابيب داخلاً في النظام المتري (إيزو).

(الشكل 3) أقسام سن اللولب

مصطلحات اللوالب

ـ السن thread: هو الخيط الحلزوني (البروز) الذي تتألف منه اللولبة، ويقابله الأخدود أو المجرى (قاع اللولبة الحلزونية).

ـ القطر الرئيسي :major diameter (D) هو قطر السن الخارجي من الذروة إلى الذروة، والسن الداخلي من الجذر إلى الجذر.

ـ القطر الصغير minor diameter (d): وهو قطر جذر السن الخارجي أو ذروة السن الداخلي وقد يسمى أحياناً قطر النواة.

ـ قطر الخطوة:pitch diameter (Pd) هو قطر أسطوانة محورية متخيلة تقطع أسنان اللولب في النقاط التي يتساوى عندها عرض السن وعرض الثلم (الأخدود).

ـ الخطوة pitch (p): وهي المسافة المحورية بين نقطة على السن (ذروة السن عادة) والنقطة المقابلة لها على السن التالي (المجاور).

ـ زاوية سن اللولب: هي الزاوية المحصورة بين جانبي السن في مستوى القطر، وتعادل60 ْ في النظام المتري و 55 ْ في النظام البريطاني (الإنكليزي).

ـ الدليل lead: المسافة التي ينتقل فيها السن محورياً في دورة واحدة. وهو في السن المفرد يساوي الخطوة، أما السن المزدوج فيساوي ضعف الخطوة، وفي السن الثلاثي يساوي ثلاثة أضعاف الخطوة، 
وهكذا (الشكل 4).

(الشكل 4) رسم تخطيطي لتسميات سن اللولب

السن المتري القياسي الدولي (إيزو)

إن للسن القياسي المعتمد من المنظمة الدولية للقياسات شكل السن الموحد الأمريكي بنظام البوصة (الإنش) من حيث المبدأ، وحين تتحول الولايات المتحدة الأمريكية إلى النظام المتري [ر. الأوزان والمقاييس] فسوف يحل محله بسهولة، مع إجراء تعديلات طفيفة على أشكال اللوالب لديها لتناسب الإنتاج الصناعي.

والفارق الرئيسي بين النظام المتري ونظام البوصة الموحد هو في الحجوم والأطوال وتطبيقات الخلوص والتسامح، وطريقة التوصيف والتسمية.

والرمز الأساسي الدال على المنظومة المترية هو وجود حرف M متبوعاً بالحجم الاسمي (القطر الرئيسي الأساسي بالميليمتر) والخطوة، وتفصل بينهما علامة الضرب × على النحو الآتي   1 × M8  أو 1.5 × M20. وفي سلسلة السن الخشن يحذف رقم الخطوة. أما الترميز الكامل للسن المتري فيشتمل بعد الترميز الأساسي على مواصفات الخلوص، وتتضمن رمز التسامح بقطر الخطوة متبوعاً برمز التسامح في قطر ذروة السن، وكل رمز من هذه الرموز ممثل برقم، وهناك خط صغير يفصل رمز التسامح عن الرمز الأساسي. فإذا كان قطر الخطوة وقطر التسامح في ذروة السن متماثلين يكتفى برمز واحد. 

هذا وللمنظومة القياسية المترية إيزو درجات تسامح متفاوتة الأبعاد، منها ثلاث درجات أساسية هي 4 و 6 و 8، والدرجة 6 هي الأكثر شيوعاً للأسنان ذوات الاستخدام العام. والتسامح إذا كان أقل من الدرجة 6 دل على أنه صغير وهي المواصفات المطلوبة للسن الناعم، أما إذا كانت الدرجة أعلى من 6 فيكون التسامح أكبر وهو من ميزات السن الخشن والتماسك الطويل.

ويدل وضع التسامح على الحدود المادية القصوى للخطوة وقطر الذروة للسن الخارجي وللسن الداخلي على حد سواء، وتمثّل سلسلة رموز موضع التسامح القيم المختلفة للخلوص المسموح به وهي على النحو الآتي:

للسن الخارجي: e = خلوص كبير،  g = خلوص وسط، h = لا يوجد خلوص.

للسن الداخلي: G = خلوص صغير،   H= لا يوجد خلوص.

ولتحديد التوافق المطلوب بين السنين الخارجي والداخلي يعطى رمز الخلوص للسن الداخلي ثم السن الخارجي وبينهما خط مائل على النحو الآتي:             1-6H/6g × M6.

رموز السن الموحد والأكمة والمربع

رُمز لهذه اللوالب برموز قياسية (الشكل 6) وفق منظومة موحدة، بإعطاء القطر الاسمي وعدد الأسنان بالبوصة (الإنش)، والحروف الأولى للمنظومة التي تخصها مثل unc أو unf، ومرتبة السن (1a أو 2a أو 3a، و1B أو 2B أو3B ). وتعدّ هذه اللوالب يمينية ووحيدة السن ما لم يشر إلى العكس. أما السن اليساري فيرمز له بحرفي (left hand) LH، ويرمز للسن المتعدد البوابات بكلمة double أو triple أو غيرها باللغة الإنكليزية.

وأسنان اللوالب على هذا النحو يمكن أن تكون مثلثية أو مربعة أو مدورة أو على شكل شبه منحرف أو لا نهائية، وبحسب السطح المنفذة عليه يمكن أن تكون اللولبة أسطوانية أو مخروطية (خارجية أو داخلية)، وبحسب اتجاه حركة الشد (الربط) أو اتجاه ميل الحلزنة قد تكون اللولبة يمينية أي باتجاه دوران عقارب الساعة، أو يسارية عكس اتجاه دوران عقارب الساعة (الشكل 5)، وبحسب عدد البوابات (البدايات) يمكن أن يكون اللولب وحيد السن أو متعدد الأسنان (متعدد البوابات)، كأن يكون مزدوج السن double thread أو ثلاثي السن triple أو رباعي quadruple أو غير ذلك. تبدأ الحلزنة في السن المزدوج بفاصل 180 ْ وفي السن الثلاثي بفاصل 120 ْ. وتستعمل هذه اللوالب المتعددة البوابات حين تكون السرعة مطلوبة في عمليتي الربط والحل، كما في قلم الحبر والمرفاع jack.

(الشكل 5) رموز المنظومة المترية لأسنان اللوالب

لقد تم تطوير أشكال الأسنان وفقاً لمتطلبات محددة، فاللوالب ذوات الأسنان المثلثية تنتمي إلى مجموعة مسامير وبراغي التثبيت أو الربط، لكونها توفر المتانة والالتصاق التام بين القطع ولمدى طويل، وغالباً ما تكون من النمط المعدل  60 ْ V (المتري والموحد). أما اللوالب ذوات الأسنان على شكل شبه منحرف مع صواميلها فتدخل في مجموعة اللوالب الحركية kinetic التقدمية والتراجعية بأقل درجة احتكاك، وتستخدم في الضبط والمعايرة، ومنها لوالب المخارط وطاولات القياس وأجهزتها. في حين تستخدم اللوالب اللانهائية لتحويل الحركة الدورانية إلى حركة مستقيمة كما في المطابع والروافع لرفع الحمولات الكبيرة.

(الشكل 6) تعريف اللوالب بالرموز القياسية

وحيث تكون القوة والمتانة مطلوبتين لنقل الحركة يكون للأسنان وجوه أقرب إلى الشكل العمودي على المحور، مثل سن الأكمة acme والسن المربع square وهي أسنان الأجهزة التي تعتمد على الأعمدة الملولبة المعدة للحمولات الثقيلة، لأنها تنقل العزم موازياً تقريباً لمحور اللولب، والسن المربع المعدل يكون له ميل جانبي مقداره 10 ْ  ويستخدم في المرفاع والملزمة، حيث تلزم القوة لنقل القدرة باتجاه محور السن. ويمكن أن يحل محله سن الأكمة أو أشكال أخرى من لوالب الحركة في المكنات، غير أن سن الأكمة بأنواعه أسهل تصنيعاً ويسمح تصميمه باستعمال الصمولة المشقوقة للربط والفك، ولأن العمق الأساسي للسن أقل بنسبة 0.30 من الخطوة فإن مقطع السن قوي ويناسب الاستخدام حيث المجال محدود والقوة لازمة. أما اللولب الدودي (Brown & Sharb) B&S فمعدل عن سن الأكمة ومعد لنقل القدرة بحركة لا نهائية. يضاف إلى ما ذكر اللولب المكتف أو لولب المغلاق المصمم لنقل القدرة الكبيرة والضغط المرتفع في اتجاه واحد فقط، وهو مستعمل في آلية المغلاق في المدافع وفي وصل الأشياء الأنبوبية وفي قلب مراوح الطائرات. أما السن البرجمي نصف المدور knuckle rolled thread فنراه في زر ومأخذ المصباح والفاصمة الكهربائية المصنوعين من الصفيح، حيث يأخذ السن والأخدود شكل نصفي دائرتين متماستين وأبعادهما قياسية. ويتم تصنيع هذا السن عادة بالدلفنة، غير أنه من الممكن تصنيعه بالسكب أو القولبة. 

(الشكل 7) مقطع السن الخارجي والداخلي وفق النظام المتري (إيزو)		(الشكل 8) الأنماط الشائعة (الكثيرة الاستعمال) من براغي التثبيت

 وثمة نمط آخر لسن اللولب في هذه التطبيقات، هو سن اللولب الكروي المتكرر الدوران recirculation ball screw، ويستخدم لتخفيف الاحتكاك، غير أنه معقد وكبير الكلفة فلا يستخدم إلا كتلة واحدة، أي إنه لايمكن فصل الصمولة (الجوزة أو العزقة) عنه. أما مبدأ عمله فيتلخص في حشر كريات صغيرة بين الأخاديد الحلزونية الخارجية والداخلية من طرف وحيد للصمولة لتأخذ مكانها بين الأخاديد، وعندما تخرج تلك الكريات من الطرف الآخر تعود ثانية إلى مدخل الصمولة عبر قناة خاصة بسيلان مستمر منتظم فتعمل عمل المدرجة الكروية وتخفف الاحتكاك.

يمكن أن تصنع اللوالب من مختلف المواد. وتستخدم المعادن وبعض أنواع اللدائن في صنع لوالب التثبيت، وأكثرها استخداماً في المجال التجاري خلائط الألمنيوم والنحاس (الصُّفَر والبرونز) والفولاذ. وأما اللوالب المعدة للاستخدامات الخاصة، كتلك المقاومة للحرارة أو الصدأ أو التآكل فتصنع من أنواع كثيرة من المواد المعدنية وغير المعدنية المناسبة للمحيط كالفولاذ غير القابل للصدأ وخلائط التيتانيوم وخلائط النيكل المقاومة وكذلك النايلون. ولكن تجب الإشارة هنا إلى أن السن الخارجي للبرغي والسن الداخلي للصمولة مصممان ليتطابق كل منهما مع الآخر، ويجب ألا يكونا كلاهما من الفولاذ غير القابل للصدأ، لأن هذه المادة يتماسك بعضها مع بعض في هذا الوضع إلا إذا كان هناك خلوص كبير أو استخدم مركب مضاد للتماسك، وقد يكون من المستحيل تماماً تفكيك مثل هذا الترابط من دون ضرر.

(الشكل 9) أنواع أسنان اللوالب بحسب حالات الاستخدام.

 يمكن أن تعطى البراغي والصمولات أشكالها المطلوبة بالقطع (الخراطة) أو الدلفنة أو البثق مع الدلفنة. والأسنان المقطوعة تكون أشد إحكاماً عادة من تلك المدلفنة أو المشكّلة بالبثق بسبب التشوه والخشونة. ولتسهيل عملية الربط تُعطى الأسنان المشكّلة بالقطع نهاية دقيقة. ومن ثمّ فإن تصنيع اللوالب بالدلفنة أقل كلفة، غير أن مجال أحجام البراغي الممكن إنتاجها محدود. 

  البراغي والصمولات (العزقات)

يقال للولب برغي bolt إذا كان جزء من طوله ملولباً وبقية الجسم أملس، أما المسمار الملولب screw فيكون ملولباً بطوله الكامل حتى الرأس. وهناك أنواع مختلفة الرؤوس من البراغي والمسامير الملولبة المستخدمة في الهندسة الصناعية كالبرغي المسدس الرأس hexagon head وهو أكثر البراغي والمسامير الملولبة شيوعاً، والبرغي المجوف الرأس (ذو النقرة) socket (cap) head ويكون رأسه مرتفعاً وفي مركزه نقرة مسدسة الشكل، ويشد بمفتاح مسدس الأضلاع يسمى مفتاح آلن Allen key، والبرغي ذو الرأس الغاطس countersunk head، ويستخدم حيث يلزم أن يكون البرغي على سوية واحدة مع السطح، وبراغي الضبط والإحكام set screws، وهي براغي تستخدم لمنع قطعتين دوارتين من الانزياح إحداهما عن الأخرى، ويتحقق ذلك ببروز النهاية المدببة للبرغي حيث تمتنع الحركة النسبية بين القطعتين. والبرغي المكتّف shoulderd bolt ويستخدم حين يجب الحد من عمق توغل البرغي في القطعة المراد تثبيتها، أو حين يلزم الحد من قوة الشد، ومن ثمّ فإن الأكتاف هي التي تقوم بهذه المهمة.

		(الشكل 11) براغي الضبط والإحكام
(الشكل 10) البراغي المقببة		(الشكل 12) استخدام البراغي ذاتية فتح السن

وهناك أنماط أخرى تستخدم عادة في الهندسة الصناعية الخفيفة ومنها الرأس المدورround head ورأس الفطر (المقبب) mushroom (raised) head، إضافة إلى المسمار الملولب المخروطي (البرغي الخشابي أو سن الصاج).

أما العزقات أو الصواميل فمنها المسدسة المسطحة hexagon nuts plain العادية، ومنها العزقات الشديدة التماسك stiff nuts وهي عزقات متنوعة الأشكال، منها ما يصنع بعدة أسنان مشوهة تتماسك بشدة مع أسنان البرغي، ومنها ما يتماسك بوساطة طبقة من النايلون أو الألياف تفتح فيها أسنان البرغي أخاديدها فتتماسك معها. وهناك أيضاً العزقات المشقوقة أو البرجية slotted or castle nuts المجهزة بشقوق ينحشر البرغي فيها ويتماسك معها، والعزقات المربعة أو المدورة، ومن غير المألوف استعمالها في الهندسة الصناعية إلا للضرورة.

(الشكل 13) أكثر براغي التثبيت شيوعاً بأنماط مختلفة ولأغراض مختلفة

استعمالات لوالب التثبيت

معظم لوالب التثبيت قضيب ذو سن أسطواني، وله رأس من طرفه بأشكال مختلفة وكلها قياسية، وبعضها له تصميم خاص. واستخدام لوالب التثبيت القابلة للفك ضروري في الآلات والمكنات والمركبات لربط الأجزاء بعضها ببعض وفكها عند الضرورة. ولأن لوالب التثبيت تنتج بالجملة بتكلفة قليلة فهي موحدة المواصفات وقابلة للاستبدال فيما بينها.

تعرّف لوالب التثبيت بالاسم الذي يبين نوعية استخدامها مثل برغي الضبط set screw والبرغي المكتف shoulder screw والبرغي ذاتي اللولبة self tapping screw والبرغي المجنح thumb screw  والبرغي ذو العروة eyebolt. وهناك أنماط مميزة تناسب معظم متطلبات التثبيت، وتستخدم في أكثر أعمال التركيب كالبرغي والصمولة، والإصبع الملولب من الطرفين stud والبرغي المقبب الرأس cap screw وبرغي المكنات machine screw وبرغي الضبط.