Wkręty - rodzaje i zastosowanie

Większość maszyn i urządzeń, a także wszelkiego typu konstrukcji oraz budowli składa się wielu elementów zrobionych z różnych materiałów, które muszą zostać ze sobą trwale połączone. W zależności od tego, czy będą one demontowane, a także od obciążeń, jakie będą musiały przenosić, stosuje się różne metody ich spajania. Popularne jest klejenie dwóch powierzchni, w przypadku budownictwa używanie zapraw, ale także spawanie przydatne przy częściach metalowych oraz zgrzewanie znajdujące zastosowanie również w przypadku tworzyw sztucznych.

Często wykorzystuje się połączenia kształtowe, w których są wykorzystywane łączniki mechaniczne. Nadają się one zarówno do połączeń nierozłącznych, takich jak nitowanie wykonywane przy pomocy dwu- lub jednoczęściowych nitów i narzędzi ręcznych albo zautomatyzowanych nitownic. Tam, gdzie konstrukcja musi być przystosowana do demontażu, chętnie wybierane są połączenia rozłączne – pasowane lub wykonane za pomocą wypustów np. klinów, ale także sworzni i kołków. W miejscach, w których występują szczególnie duże obciążenia, a połączenie musi być łatwe do wykonania oraz dawać możliwość sprawnego rozłączenia stosowane są połączenia gwintowane, wykonywane za pomocą śrub i nakrętek. Jeśli na część działają mniejsze siły, a elementy złączne będą usuwane dość rzadko, dobrym rozwiązaniem mogą być także wkręty. Przyjrzyjmy się bliżej ich zastosowaniom i budowie oraz sprawdźmy, jakie są ich rodzaje.

Do czego mogą być wykorzystywane wkręty i jak działają?

Wkręty służą do wykonywania połączeń gwintowanych i są wyposażone w gwint zewnętrzny dostosowany do rodzaju materiału, w którym mają być osadzone. Można z nich korzystać przy łączeniu różnych elementów, przy czym kluczowe znaczenie dla możliwości użycia oraz trwałości połączenia ma ten, w którym zostanie umieszczony gwint. Wkręty będą się nadawały do montażu w metalu, drewnie i tworzywie sztucznym, a przy wykorzystaniu dodatkowego kołka rozporowego zrobionego z tworzywa lub drewna także we wszelkiego rodzaju materiałach budowlanych – ceramice, betonie i kamieniu naturalnym. Wkręty często stosuje się do mocowania metalowych elementów cienkościennych – kształtowników i blach, części konstrukcji drewnianych, a nawet elastomerów lub plastiku. Używa się ich w ślusarstwie i mechanice do montażu elementów pracujących pod niewielkimi obciążeniami, a także w ciesielstwie np. do wykonywania więźby dachowej czy stolarstwie, głównie przy produkcji mebli, w tym instalowaniu okuć.

Cechą charakterystyczną połączeń wykonywanych przy użyciu wkrętów jest to, że używany jest tylko jeden nagwintowany element złączny, który może być instalowany w przygotowanym wcześniej otworze lub nawiercać go w trakcie montażu. Za właściwe osadzenie wkrętu oraz utrzymywanie go w prawidłowej pozycji odpowiada wykonany na jego rdzeniu gwint. Podobnie jak w przypadku śrub wkręty utrzymują swoje położenie za sprawą tarcia pojawiającego się między uzwojeniem gwintu a materiałem, w tym przypadku w grę wchodzi jednak również nacisk wywierany przez ścianki uzwojenia pojawiający się po obciążeniu połączenia. Wkręty muszą być odporne na rozciąganie i ścinanie, jednak ich najważniejszą charakterystyką jest odporność na wyrwanie.

Drugim ważnym elementem pozwalającym na korzystanie z wkrętu jest sposób, w jaki ukształtowana jest jego główka. Odgrywa ona dwojaką rolę – z jednej strony utrzymuje mocowany element dzięki kontaktowi z otworem, w którym jest umieszczona, z drugiej umożliwia osadzenie wkrętu za sprawą swego kształtu albo odpowiedniego ukształtowania łba. Geometria główki wkrętu musi być dobrze dopasowana do funkcji, jaką ma on pełnić – w niektórych przypadkach najważniejsze będzie zapewnienie dużej powierzchni, na której wkręt dociska mocowany element, w innych kluczowe okaże się np. całkowite ukrycie łba w otworze.

Czym różnią się od siebie poszczególne typy wkrętów?

Podstawowe różnice między różnymi rodzajami wkrętów wiążą się z odpowiednim dopasowaniem ich gwintu do materiału, w którym będą osadzone oraz kształtem rdzenia, a także typem wykorzystanego łba. Wkręty mają gwint o większej wysokości niż śruby z uwagi na nieco inną rolę, jaką ma on do odegrania. Charakterystyczny jest także jego dłuższy skok, a więc odległość między poszczególnymi zwojami. W przypadku wkrętów do drewna skok gwintu będzie z reguły dość duży, podobnie jak jego wysokość w stosunku do rdzenia wkrętu. Wynika to z tego, że drewno jest stosunkowo miękkie i łatwo poddaje się naciskowi – takie ukształtowanie nie utrudnia więc montażu, a jednocześnie znacznie podnosi wytrzymałość na wyrywanie. Ze względu na to, że drewno jest dość lekkie w stosunku do swej objętości, metalowe elementy złączne będą w stanie utrzymać fragmenty o dużym przekroju, wkręty do drewna mogą mieć dość znaczną długość. W przypadku wkrętów do metalu rdzeń jest na ogół znacznie grubszy i zwykle poza stożkową końcówką ma kształt walcowaty o bardziej równomiernej średnicy. Gwint będzie tu miał niewielką wysokość i mniejszy skok – w przeciwnym razie do mocowania wkrętu trzeba by używać bardzo wysokich momentów dokręcających, podwyższona musiałaby być także granica plastyczności materiału, z jakiego został wykonany.

Jeśli chodzi o kształt łbów, to muszą one być dopasowane do rodzaju materiału, jaki będzie za ich pomocą mocowany oraz do obciążeń, które będą oddziaływać na połączenie. Do najczęściej wykorzystywanych należą łby stożkowe, które spotyka się we wkrętach do drewna – tu na ogół zagłębiają się one w materiale dzięki jego podatności na odkształcenia – oraz do metalu, co wiąże się z koniecznością wykonania odpowiedniego fazowania materiału. Często spotykanym rozwiązaniem jest także stosowanie główki talerzykowej, a więc płaskiej. Zaletą takiego rozwiązania jest większa powierzchnia, na jakiej przylega do materiału. Takie rozwiązanie jest zazwyczaj stosowane przy mocowaniu stosunkowo cienkich blach oraz drewna. W przypadku wkrętów do metalu spodnia część główki może mieć specjalne wypustki, które ograniczają możliwość samoistnego wykręcania się. Bardzo często wkręty są stosowane z podkładkami, które zwiększają powierzchnię, na jakiej przekazywane są obciążenia, zapobiegają poluzowaniu połączenia, a niekiedy także podnoszą jego szczelność lub amortyzują powstające drgania.

Rodzaj łba to nie tylko kwestia ukształtowania jego dolnej powierzchni, ale również geometrii całości. Pod tym względem, poza zakończeniami płaskimi, najczęściej spotyka się łby walcowate i soczewkowe oraz kuliste. Duże znaczenie ma także to, do jakiego sposobu mocowania przystosowana jest główka wkrętu. Do  niedawna najpopularniejszym rozwiązaniem było nacięcia proste, pozwalające na wykorzystanie do montażu tradycyjnego płaskiego wkrętaka albo bitu o takim kształcie. Obecnie stosuje się głównie nacięcia krzyżakowe – Philips oraz Pozidriv. W wielu zastosowaniach wykorzystywane są też torxy oraz imbusy, ułatwiające dokręcenie wkrętów z większymi siłami. Tam, gdzie konieczne będzie użycie jeszcze większego momentu dokręcającego, stosuje się wkręty z łbami sześciokątnymi, które mogą być instalowane przy pomocy klasycznych kluczy lub zakrętarek.

Rodzaje wkrętów i ich zastosowania

Większość wkrętów jest wykonana ze stali o różnych parametrach w zależności od potrzebnej przy danym zastosowaniu odporności na obciążenie. Określa się ją za pomocą klasy wytrzymałości materiału podawanej jako Rm, czyli wytrzymałości na rozciąganie oraz Re, a więc granicy plastyczności. Wytrzymałość na rozciąganie oznacza maksymalną wartość siły, która doprowadza do rozerwania materiału. Granica plastyczności oznacza siłę, przy której dochodzi do trwałego odkształcenia materiału i ma znaczenie dla doboru odpowiedniego momentu dokręcającego. Wytrzymałość elementów złącznych w tym śrub jest podawana w setkach MPa w postaci Rm.Re np. 10.8, co oznacza Rm 1000 MPa i Re 800 MPa. Wytrzymałość może być również podawana jako próg twardości, wyznaczany wg skali Vickersa – w takim przypadku mamy do czynienia z 4 klasami 14H (twardość 140 HV), 22H (twardość 220 HV), 33H (twardość 330 HV), 45H (twardość 450 HV).

Poza odpornością na obciążenia ważną cechą wkrętów jest wytrzymałość na warunki zewnętrzne – przede wszystkim rdzewienie. Elementy złączne mogą być wykonane z metali kolorowych odpornych na korozję, takich jak mosiądz, stosuje się także wkręty ze stali nierdzewnej, co jednak znacząco podraża koszt ich produkcji i użycia. Wkręty stalowe są więc na ogół zabezpieczane antykorozyjnie przez tradycyjne cynkowanie albo fosforanowanie, polegające na kąpieli w roztworze kwasu fosforowego oraz roztworze manganu lub cynku.

Najpopularniejszymi rodzajami wkrętów są klasyczne blachowkręty oraz wkręty do drewna o różnych długościach i średnicach. Wśród wkrętów do metalu często można spotkać wkręty samowiercące, mające na końcu rdzenia specjalnie wykonane nacięcia z ostrymi krawędziami, które służą do wykonywania otworu montażowego w czasie ich dokręcania. Rodzajem szeroko stosowanych blachowkrętów są też wkręty farmerskie, wyposażone w elastyczną podkładkę z syntetycznego kauczuku, która odkształcając się, pozwala na uszczelnienie połączenia oraz częściowo amortyzuje powstające naprężenia. Wkręty do drewna o większych rozmiarach są często wytwarzane z dzielonym gwintem, co pozwala na skuteczne łączenie trzech różnych elementów np. materiału dociepleniowego umieszczanego między dwoma warstwami drewna. Spotyka się także wkręty, na których gwint znajduje się jedynie na początkowej części rdzenia, co z kolei ułatwia mocowanie do drewna materiałów, które gwint mógłby uszkodzić. Zwykle są one w takiej sytuacji dociskane za pomocą podkładki. Często używanym rodzajem wkrętów przeznaczonych do łączenia drewna są także konfirmaty. Wyróżniają się one bardziej złożoną budową główki, w której znajduje się pierścień oporowy, element walcowaty oraz stożkowe połączenie z rdzeniem, a także nacięciem pod klucz imbusowy.