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螺絲

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各種各類的螺絲(图片右下角是一枚作为参照物的硬币)

螺絲英语:screw)即螺(丝)钉,是一种常见的紧固件,在機械電器建築物上广泛使用。一般材質為金屬或塑膠,呈圓柱形,表面刻有凹凸的溝稱為螺紋。螺紋是一個環繞螺絲側面的螺旋傾斜面,讓螺絲可應用螺旋機制緊鎖著螺絲帽或其他物體,這些物體的內側有和螺絲相對應的螺紋,稱為內螺紋。一般螺絲帽或其他物件的內螺絲需另外加工產生,不過有一種螺絲稱為自攻螺絲,可以在較軟的物體上切削出內螺紋,因此不需特別的加工。

螺絲的主要功用是接合二個物體,或者是固定一物體的位置。螺絲通常可隨意移除或重新嵌緊而不損其效率,亦比提供更大的力量,也可重覆使用。

一般螺絲的頂部直徑較大,常見的有圓形、方形或正六邊形,若頂部為正六邊形,可以用扳手轉動螺絲,若頂部為圓形,頂部正面也會有溝紋,方便使用對應的螺丝起子轉動螺絲。最常見的溝紋有一字型及十字型和方形,也有其他的形狀。較突出的頂部亦令螺絲不會鑽得太深入而穿過物料,及提高螺絲對物料的壓力。有些螺絲不會設計較大直徑的頂部,例如固定螺絲英语Set screw即為一例,因此螺絲可以整個鎖進工件內,不會有露出的部份。

大部份螺絲的螺紋都有一定的方向,順時針方向旋轉時可將螺絲鎖緊,這種螺絲稱為右旋螺絲。與上述螺絲相反的左旋螺絲,只有在特定情形下使用。有些應用下螺絲會受到逆時針方向的力矩,右旋螺絲會因為受到的力矩而使螺絲轉鬆,此時就需要使用左旋螺絲,例如腳踏車的左側踏板就會使用左旋螺絲。不過汽車左右側的車輪都是用右側螺絲旋緊,沒有資料顯示車輪鬆脫與螺絲旋紋有直接關係[1]

螺絲和螺栓的區別[编辑]

一個有方型螺帽的螺栓

有關螺絲和螺栓的差異,沒有一個一致性廣為接受的標準,美國出版的《机械设计手册英语Machinery's Handbook》中說明如下:

螺栓是一種外圈有螺紋的緊固件,目的在將螺栓插入孔中,固定組合件,而且一般會配合螺帽,旋轉螺帽來旋緊或是旋鬆螺栓。螺絲也是一種外圈有螺紋的緊固件,目的在將螺栓插入孔中,固定組合件,而且一般會配合孔上已有的內螺紋,或是由螺絲在孔上產生的內螺紋的帽,一般會旋轉螺絲頭來旋緊或是旋鬆螺絲。若一緊固件有外螺紋,在組合好之後只能透過旋轉螺帽來旋緊或旋鬆,那就是螺栓(例如扁圓頭螺栓、軌條螺栓、防松螺栓)。若一緊固件有外螺紋,不配合螺帽使用,那就是螺絲(例如木頭螺絲、自攻螺絲)[2]

上述的差異和ASME B18.2.1一致,也和一些字典上螺絲[3][4]及螺栓的定義一致 [5][6][7]

不過也存在其他的定義方式。

分类[编辑]

主要分类包括普通螺丝、自攻螺丝和膨胀螺丝三种。

普通螺丝[编辑]

罗伯森螺丝[编辑]

2吋半8号罗伯森螺丝钉

罗伯森螺丝钉的螺丝头呈方形,是加拿大工程师罗伯森发明,因此称为罗伯森螺丝钉。在加拿大罗伯森螺丝钉普遍用于机械制造,房屋建筑等行业。罗伯森螺丝钉的优点是可以拿电动螺丝起子,钻头咬住螺丝钉,不易脱落,因此可以单手操作。在用高扭力的电动冲击起子时,罗伯森螺丝钉比一字形、十字形螺丝钉更不容易跳槽。

自攻螺丝[编辑]

自攻螺丝

一般螺丝在鎖固其他物體時,其他物體需先加工內螺紋,自攻螺丝英语Self-tapping screw是指螺丝在旋緊時就會在其他物體上產生內螺紋。有些自攻螺丝是螺丝上製作一個和軸面平行的凹槽,凹槽會切斷螺紋,使螺紋不連續,在旋緊螺丝時不連續的螺紋就會切割其他物體,產生內螺紋。從DIY外科手術的領域中,都會用到自攻螺丝。

  • 螺紋成型自攻螺絲(Thread Forming Tapping Screws)
    • 螺紋切削自攻螺絲(Thread Cutting Tapping Screws)
  • 螺紋滾成自攻螺絲(Thread Rolling Tapping Screws):─三角牙自攻螺絲,又稱為Type TT
  • 鑽尾自攻螺絲(Self Drilling Tapping Screws):又稱為Tec
  • 雙螺紋自鑽尾喇叭頭自攻螺絲(Twin Lead Self Drilling Point Tapping Screws)

膨胀螺丝[编辑]

膨胀螺丝

膨胀螺丝的尾端有椎度,半徑較大。螺丝外有金屬或塑膠的套筒,靠近尾端處有切口。在螺絲旋緊時,螺絲長度縮短,螺絲尾端會將金屬套筒撐開,因此金屬套筒會膨胀。膨胀螺丝常用在螺絲固定在水泥牆上的情形.塑膠的套筒和水泥牆可以產生摩擦力,再靠套筒來固定螺丝,但只限用於荷重不大的場合,例如吊扇就不能用膨胀螺丝固定[8]

材料[编辑]

螺絲及螺栓一般是用製成,若需要有良好的耐蝕性及耐候性(例如醫療植入物中的小螺絲),則會選用不鏽鋼青銅矽青銅蒙乃尔合金英语monel

不同材料之間的伽凡尼腐蝕英语Galvanic corrosion可以用選擇適當的材料來避免(例如在雙層玻璃軌道中使用鋁製螺絲)。若要耐蝕性非常好,強度中等,或是需要絕緣,可以用塑膠材質,例如尼龙聚四氟乙烯

一般來說螺絲為了避免腐蝕,會加上表面塗層(如不鏽鋼螺絲上鍍鋅)或是用其他方式改善材料表面的特性。

選擇螺絲材料需考慮其體積、需要強度、耐蝕性、接合金屬、成本及溫度。

製造[编辑]

Screw (bolt) 13-n.PNG

螺絲的製造可以分為三個步驟:鍛頭、攻螺紋英语Threading (manufacturing)以及鍍層。螺絲的原料是成卷的金屬絲,大型螺絲的原料可能是棒材英语bar stock,原料會依螺絲尺寸,切割為適合加工的長度,之後再進行鍛頭英语Heading (metalworking),是冷加工英语Cold working鍛造螺絲頭部的程序,鍛頭會讓螺絲頭的部份成形,機器中模具的形狀會決定螺絲頭的外形,例如平頭螺絲的模具對應部份也是平的。若是較複雜的形狀,會用二次鍛頭程序,使螺絲頭可以完整成形,使用此生產方式的原因是其高產率,而且在本質上沒有廢料。若是螺絲頭上有槽的螺絲,會需要一個額外的步驟來產生螺絲頭上的槽,這會用開槽機(slotting machine)來進行。

鍛頭後的螺絲會進行攻螺紋,有些是利用螺旋滚压成形(thread rolling)的方式處理,有些則是用切削的方式處理經過。接下來會用木頭及皮革類材料進行滚筒抛光英语tumble finished,清理工件並且抛光。大部份的螺絲需要有鍍層來防止腐蝕,可能是电镀鋅或是或是加上黑氧化物英语black oxide鍍層。

螺絲起子的種類[编辑]

現在的螺絲會設計有不同形狀的頭,配合不同的螺絲起子使用,因此需要搭配的螺絲起子才能轉鬆或轉緊,美國最常見的一字及十字的螺絲起子,六角形、方形頭的(羅伯森螺絲)、六角星形的在一些領域也會用到,有些起子是用在量產品的自動組裝中,有些少見的起子是用在一些防止篡改的應用中,例如一些不該由家庭維修人員打開維修的電器用品。

歷史[编辑]

1871年的車床,配合导螺杆進行單點的螺絲切削

希臘數學家阿爾庫塔斯曾經描述過螺絲的原理。在西元第一世紀時,地中海世界已開始將木頭螺絲用在螺旋压机英语screw press中,可以由橄欖中压製橄欖油,也可以從葡萄中榨汁釀酒。在十五世紀之前,歐洲很少用金屬螺絲作為緊固件[9]

羅伯津斯基(Rybczynski)證明手持的螺絲起子在中古時期就已經存在(最晚為西元1580年),不過到了十八世紀才配合有螺紋緊固件的商業化,開始廣為使用[10]

在螺紋緊固件廣為使用之前,有許多不同的緊固方式。多半和木工及鍛造有關,和機械加工較無關,用到的概念像定縫銷釘及銷、楔形物、榫卯楔形榫頭英语dovetail joint钉子鍛焊及其他用皮革或纖維打後綁束起來。在十九世紀中之前,造船時會用開口銷英语Split pin、銷螺栓或是鉚釘固定,當時也有黏合剂,但種類不像現代這裡多。

一直用十八世紀有機床可以大量生產螺絲後,金屬螺絲才變成常用的緊固件,此技術約在1760年代及1770年代發展[11],沿著二個分開的工藝途徑,但很快就融合英语technological convergence了:[12]木頭螺絲(用在木頭固定上的金屬材質螺絲)是用單一用途、高產率的機床加工,以及低量、模具車間式生產的V螺紋機械螺絲,可以選擇各種不同的螺距。

上述第一種工藝途徑是由英國斯塔福德郡的雅各及威廉惠雅特兄弟(brothers Job and William Wyatt)先提出[13],他們在1760年申請一項專利,現在頂多可以稱為螺絲機的早期版本,它利用導螺桿來導引切削刀刃產生所需的螺距[13],螺丝槽型是由旋轉銼產生,當時的主軸靜止不動。到1776年他們才建好第一個木工螺絲廠,並且開始營運[13]。他們的企業失敗了,不過新的業主營運好轉,在1780年代一天生產了16,000顆螺絲,只需要30個工人[14],這種工業生產的生產性及產能是現在工業的標準,但在當時是革命性的突破。

同時,英國的工具製造者杰西·拉姆斯登英语Jesse Ramsden(1735–1800)也在從事刀具和沖模工英语tool and die maker,遇到螺絲切削的問題,在1777年他發明了第一台令人滿意的螺丝车床英语screw-cutting lathe[15]。英國工程師亨利·莫兹利英语Henry Maudslay(1771–1831)因為用他的螺丝车床將此技術普及化,因此享有盛名,使用的螺丝车床是1797年及1800年車床,其中包括導螺桿、滑座、變齿轮的齿轮組,都是工業生產的標準比例。他統一了惠雅特兄弟及拉姆斯登生產螺絲的方式,利用已經在生產木工螺絲的方式來生產機械螺絲,是刺激生產的商品化。他的公司在十年後仍然是工具機的領導品牌。當時的蘇格蘭工程師詹姆斯·内史密斯英语James Nasmyth誤述了莫兹利「發明」了滑座,這是不正確的,莫兹利使得車床得以普及化。

工具[编辑]

一般旋緊或旋鬆螺絲的手工具稱為螺絲起子,若需使用電源,稱為電動螺絲起子。電鑽若配合一些配件,也可以當電動螺絲起子使用。若螺絲旋緊的力矩需較精準,可以利用扭力限制起子,提供足夠又不會太大的扭力。若是六角頭的螺絲,一般會使用扳手固定。

螺紋標準[编辑]

有關螺紋的螺距、直徑等相關標準,有許多不同的系統加以規範,但世界上大多數地區已用ISO公制螺紋英语ISO metric screw thread(M系列螺紋)取代舊有的系統,定義在國際標準ISO 68-1中[16],其他系統中較常用的有英制惠氏标准螺纹英语British Standard Whitworth(B.S.F螺紋)、英國協會螺紋英语British Association screw threads(B.A.螺紋)及統一螺紋標準英语Unified Thread Standard等。

其他的固定方式[编辑]

固定物體除了使用螺絲外,也可以使用釘子铆钉大头针弹簧销英语Spring pin焊接銲錫硬焊黏合劑膠帶等。

相關條目[编辑]

參考資料[编辑]

  1. ^ 立法會九題:政府提醒車主及駕駛者妥善保養車輛. 香港立法會. 2004-10-13 [2013-05-04]. 
  2. ^ Oberg等 2000,第1492页.
  3. ^ Cambridge Dictionary of American English. Cambridge University Press. [2008-12-03]. 
  4. ^ allwords. [2008-12-03]. 
  5. ^ Merriam Webster Dictionary bolt. [2008-12-03]. 
  6. ^ Compact Oxford English Dictionary bolt. Oxford. [2008-12-03]. 
  7. ^ Cambridge Advanced Learner's Dictionary bolt. Cambridge University Press. [2008-12-03]. 
  8. ^ 膨胀螺丝簡介. 
  9. ^ Am_Wood_Screws (PDF), [2010-04-30]. 
  10. ^ Rybczynski 2000,第34, 66, 90页.
  11. ^ Rybczynski 2000,第75–99页.
  12. ^ Rybczynski 2000,第99页.
  13. ^ 13.0 13.1 13.2 Rybczynski 2000,第75页.
  14. ^ Rybczynski 2000,第76页.
  15. ^ Rybczynski 2000,第97–99页.
  16. ^ ISO 68-1:1998 ISO general purpose screw threads – Basic profile – Part 1: Metric screw threads. International Organization for Standardization. 
  • Oberg, Erik; Jones, Franklin D.; Horton, Holbrook L.; Ryffel, Henry H., Machinery's Handbook 26th, New York: Industrial Press Inc., 2000, ISBN 0-8311-2635-3. 
  • Rybczynski, Witold, One good turn: a natural history of the screwdriver and the screw, Scribner, 2000, ISBN 978-0-684-86729-8, LCCN 00036988, OCLC 462234518. Various republications (paperback, e-book, braille, etc).