Vite (meccanica)
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Una vite è una barra cilindrica con un filetto elicoidale inciso sulla superficie, utilizzata prevalentemente per fissare oggetti tra loro. È una macchina semplice in grado di trasformare il moto circolare in moto rettilineo.
La vite presenta rispetto al chiodo il vantaggio di potere essere smontata e rimontata senza perdere efficacia. Normalmente le viti si avvitano con rotazione in senso orario (destrorsa). Molto raramente sono usate viti con filetto sinistrorso, in particolare dove queste siano soggette a sollecitazioni rotazionali che tenderebbero a svitare un filetto destrorso.
Per avvitare e svitare le viti si usano utensili a mano, i cacciaviti oppure avvitatori elettrici o accessori per trapano. Dove sia necessario regolare con precisione la forza di avvitamento si utilizzano strumenti in grado di limitare il momento torcente (chiavi dinamometriche. Le teste dei bulloni ed i dadi hanno spesso testa con sezione esagonale e vengono manovrati con apposite chiavi.
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[modifica] Cenni storici
L'invenzione della vite è comunemente attribuita al matematico greco Archita. Proclo scrive che Apollonio di Perga aveva dimostrato che l'elica cilindrica è una curva omeomerica, cioè che la curva può scorrere su sé stessa, ovvero il principio che spiega il funzionamento delle viti cilindriche. Nel I secolo AC viti di legno erano già in uso nel mondo mediterraneo, per esempio nei torchi per la produzione di olio e vino. Peraltro Lucio Russo (La rivoluzione dimenticata, 5.3) argomenta a favore dell'esistenza di torchi nel II secolo AC. Erone di Alessandria descrive un procedimento basato su una progettazione scientifica per produrre viti cilindriche con madrevite.
Le viti metalliche apparirono per la prima volta in Europa nel XV secolo, ma non divennero di uso comune fino a quando non fu inventato (o reinventato) un sistema per la loro produzione di massa nel XVIII secolo. L'ingegnere britannico Henry Maudslay brevettò un tornio per la fabbricazione di viti nel 1797. Un dispositivo simile fu brevettato l'anno successivo negli Stati Uniti da David Wilkinson.
Durante la Seconda guerra mondiale la standardizzazione dei filetti ebbe un forte incremento, per permettere alle nazioni alleate di scambiarsi componenti e pezzi di ricambio.
La vite con testa a croce fu inventata dall'americano J. P. Thompson, che vendette il brevetto a Henry Phillips, fondatore della Phillips Screw Company. Phillips ebbe notevoli difficoltà a trovare una officina in grado di intagliare il nuovo tipo di testa, fino a quando contattò la giovane società American Screw Company che credette ed investì nell'idea, ottenendo un notevole successo.
[modifica] Vite semplice
La vite semplice si avvita nel materiale da fissare per mezzo di un filetto complementare in esso praticato. Il filetto può essere preparato in precedenza per mezzo di trapano e maschio come avviene di solito con l'acciaio e altri materiali, oppure puo essere generato estemporaneamente dalla vite stessa, come nel caso del legno o dell' osso. In quest'ultimo caso la vite è detta autofilettante.
Le viti autofilettanti hanno solitamente una estremità appuntita per favorire l'imbocco nel foro e a volte l'intero corpo è conico invece che cilindrico.
Nell'alluminio si usa praticare i fori ma non filettarli, lasciando che venga realizzato da apposite viti al momento del fissaggio. Queste viti per alluminio presentano di solito una scanalatura longitudinale che ha lo scopo di scaricare il truciolo prodotto dall'incisione del materiale.
Alcune viti, dette autoperforanti hanno una punta particolarmente appuntita è sono in grado di perforare materiali sottili come lamiere e materiali plastici, senza bisogno di praticare precedentemente un foro di invito.
Esistono anche le cosiddette viti "trilobate" o "automaschianti", che possono sostituire le normali viti metriche in molte occasioni, soprattutto laddove i particolari da accoppiare siano costituiti di materiali non troppo duri. Infatti la particolare conformazione del gambo, a sezione trilobata anziché cilindrica, consente loro di costruire un filetto metrico al momento del primo avvitamento, fungendo da veri e propri "maschi a filettare". Quando vengono smontate possono essere sostituite da normali viti metriche.
[modifica] Vite, bullone e dado
Un bullone è una vite a testa quadrata o esagonale: una vite attraversa dei fori praticati su pezzi da unire e si accoppia con un dado situato al lato opposto. Il bullone ha una testa di dimensioni maggiori del foro. Il dado ha solitamente forma esagonale e presenta un foro in cui è ricavata una filettatura complementare a quella della vite o bullone. I fori praticati negli oggetti da unire non devono essere filettati, e devono consentire il libero scorrimento del bullone.
La filettatura della vite può non essere presente per tutta la sua lunghezza, poiché non ha nessuna utilità nella zona interna allo spessore dei materiali. Spesso, anzi, si preferisce non avere il corpo completamente filettato per dare una maggiore resistenza a taglio della vite.
[modifica] Altri usi della vite
Le viti sono impiegate anche per applicazioni differenti dal semplice fissaggio. La funzione di conversione del moto circolare in lineare è sfruttata in moltissime applicazioni, dal tornio per l'avanzamento automatico del carrello al cavatappi.
Gli ingranaggi a vite senza fine sfruttano una vite per raggiungere elevati rapporti di velocità.
La vite di Archimede è un antico strumento che permette di sollevare acqua sfruttando il principio della vite, ed è ancora molto usato per spostare soprattutto materiali granulosi come per esempio i cereali. La vite di Archimede viene utilizzata anche per effettuare spostamenti di precisione: una barra viene filettata con un particolare filetto calibrato e rettificato e sulla stessa viene fissata una chiocciola a ricircolo di sfere; il moto rotatorio della vite permette alla chiocciola di spostarsi di una distanza precalcolata in base al passo del filetto. Tale dispositivo è spesso utilizzato nello spostamento degli assi delle macchine a controllo numerico.
[modifica] Materiali costruttivi
Le viti ed i bulloni sono prodotti in un'ampia gamma di materiali, il più usato dei quali è l'acciaio, seguito dall'ottone. Dove sia richiesta resistenza agli agenti corrosivi si utilizza acciaio inossidabile, titanio o bronzo.
Vengono utilizzati anche materiali plastici quali nylon e teflon dove sia richiesta elevata resistenza alla corrosione ed isolamento elettrico senza eccessiva forza di unione. Negli isolatori elettrici sono sagomati a vite anche il vetro e la porcellana per unire diversi elementi.
Uno stesso tipo di vite o bullone può essere realizzato con acciai di diversa resistenza. Dove siano richieste tensioni elevate un bullone a bassa resistenza può rompersi, provocando danni o incidenti. Per questo motivo sulla testa dei bulloni è impressa una sigla che indica la classe del materiale usato, anche se sono stati scoperti pezzi contraffatti con una resistenza inferiore a quella dichiarata, con grave pericolo nel caso vengano installati su aerei, automobili, camion ecc.
[modifica] Principio di funzionamento
La vite è una applicazione particolare del principio del cuneo o piano inclinato. Il cuneo è costituito dall'elica del filetto, che si avvolge sul cilindro della vite e preme su un piano rappresentato dal filetto contrapposto.
L'analisi matematica di base è la stessa del cuneo, e l'inclinazione corrispondente è data dal rapporto tra il passo e la circonferenza del filetto. Per evitare che la vite si sviti spontaneamente, l'inclinazione del piano deve essere tale che la forza risultante in condizione di aderenza agisca con la sua componente parallela al piano nel verso di avvitamento. Un filetto con passo lungo può allentarsi con più facilità rispetto ad uno con passo breve. Inoltre i coefficienti di attrito dei materiali contribuiscono significativamente alla determinazione del limite di slittamento. Per aumentare la tenuta di una vite si usano a volte appositi prodotti frenafiletti, che agiscono come adesivi aumentando l'attrito tra le parti.
[modifica] Tensionamento
Perché si generi la forza di tenuta, è necessario che le viti siano inizialmente poste in tensione, siano pretensionate o, come pìù volgarmente detto, tirate. Il mantenimento della forza è dovuto all'elasticità dei materiali stretti.
La forza di tensione deve essere tale per cui la tenuta allo scorrimento dei due materiali uniti sia offerta dall'attrito tra le parti. se la tensione non è sufficiente, le due parti possono infatti scorrere fino a toccare la vite ed agire su questa come cesoie. Inoltre i materiali, sfregando, possono usurasi e ridursi di spessore, annullando la forza tensiva agente sulla vite.
Nelle applicazioni critiche è spesso precisato il momento torcente con cui stringere la vite o bullone per preimpostare la giusta forza di tensione. Quando una forza agisce per superare le parti, la vite non ne risente fino a quando non viene superata la forza di tensione, dopodiché la giuntura si allenta.
I bulloni per tensioni elevate hanno solitamente la testa di forma esagonale per permettere l'applicazione di elevato momento torcente e sopra di essa è inciso un indice di resistenza, solitamente 4.6 per bulloni leggeri e 8.8 o 12.9 per i bulloni ad alta resistenza.
Il numero prima del punto equivale alla forza massima in N/mm2 (o MPa) sopportabile, moltiplicato per 100. Oltre questo valore il bullone si rompe.
Il secondo numero indica il limite di deformazione elastica espresso come percentuale della forza massima diviso dieci. Sottoposto a questa forza e rilasciato, il bullone subisce un allungamento irreversibile (deformazione plastica) non superiore allo 0,2%.
[modifica] La testa
[modifica] sagome della testa
- a) testa cilindrica
- b) testa a bottone
- c) testa tonda
- d) testa mezza tonda
- e) testa svasata piana
- f) testa svasata con calotta
[modifica] Tipi di innesti
Esistono molti tipi di attacchi per innestare il cacciavite sulla testa della vite. I più comuni sono quello a taglio e quello a stella anche detto phillips. Altri attacchi offrono una migliore presa e riducono il rischio di danneggiamento dell'innesto o del cacciavite. In altri casi sono studiati per agevolare il montaggio automatico nella produzione in serie.
- a) a taglio: è un'impronta sempre meno usata visto che la lama del cacciavite può facilmente scivolare e danneggiare il materiale circostante: per questi motivi è sempre più difficile da reperire sul mercato, sia nella tipologia metrica che in quella autofilettante;
- b) Phillips o a croce: ha una incisione a croce che agevola la centratura dell'utensile e ne impedisce lo scivolamento; le pareti delle scanalature sono leggermente svasate in modo che il cacciavite si sollevi in caso di eccessiva resistenza per salvaguardare il filetto della vite;
- c) Pozidriv: (brevettato) è simile a quello a croce ma non prevede la fuoriuscita dell'utensile; ha quattro scanalature minori tra le scanalature principali, un cacciavite a croce può operare su una vite Pozidriv ma non viceversa;
- d) Torx: la testa ha un foro con sezione a stella a sei punte arrotondate; fu impiegato nei primi computer Apple come antimanomissione. Attualmente questo tipo di testa viene preferita alla più comune esagonale (Vedi e)) quando il montaggio avviene in stazioni robotizzate;
- e) Esagonale o a brugola o Allen o TCE (Testa Cava Esagonale): la testa ha un foro esagonale e l'utensile è costituito da una barra di sezione esagonale piegata a L o a T (chiave a brugola) oppure inserita su bussola con innesto femmina da usare con apposite leve e cricchetti;
- f) Robertson: simile alla brugola ma a sezione quadrata, è usato principalmente in Canada;
- g) Tri-Wing: intaglio con tre incisioni a stella, usato nel Game boy di Nintendo per prevenire lo smontaggio;
- h) Torq-Set: simile a quello a croce ma con i quattro intagli leggermente sfalsati;
- i) Spanner: utilizza due fori per evitare manomissioni e vandalismi. È usata in aree esposte al pubblico quali ascensori e citofoni;
[modifica] Antimanomissione o antivandalismo
Alcuni tipi di attacchi sono studiati per impedire lo smontaggio a persone non autorizzate e non in possesso dell'apposito cacciavite. Sono perciò dette antimanomissione. Sono spesso usate negli elettrodomestici e in apparecchi elettronici per impedire che persone non competenti possano aprire gli apparecchi correndo rischi di folgorazione.
Diversi innesti convenzionali possono essere realizzati in forma antimanomissione, per esempio aggiungendo un pernetto centrale in rilievo. Altri tipi sono completamente nuovi.
Il tipo a taglio può essere realizzato in modo da consentire l'avvitamento ma non lo svitamento realizzando dei piani inclinati che non offrano presa al cacciavite nel senso di svitamento.
[modifica] Testa a rottura
Alcune viti hanno la porzione di testa con la sede per il cacciavite che può essere spezzata applicando un momento torcente di opportuno valore. Questo rende impossibile lo svitamento e garantisce che la vite sia stretta con una coppia adeguatamente elevata.
[modifica] Misura del filetto delle viti
Diversi sistemi sono usati per definire le dimensioni dei filetti delle viti, ovvero il diametro e la densità del filetto. Attualmente il più usato e pratico è quello metrico ISO, basato sul sistema internazionale, ma ancora sopravvivono sistemi diffusi in passato.
[modifica] Filettatura metrica
Il diametro delle serie ISO è indicato in millimetri, prefissato dalla lettera M. Per esempio M5 per una vite da 5 mm. Le filettature metriche sono designate in base al diametro e al passo della vite. Il diametro indicato è il diametro esterno del filetto, di poco inferiore al diametro del perno prima che venga filettato. In passato le viti metriche erano disponibili con passo fine e grosso, ora sono standardizzate solo quelle a passo grosso. Il metodo più comune per identificare una vite è quello di fornirne il diametro seguito dalla lunghezza: una vite M5x1.5 (dove solitamente la M viene omessa) indica una vite avente diametro pari a 5mm e il passo di 1.5mm.
[modifica] Filettatura non metrica
Prima dell'adozione del sistema metrico, diverse aziende avevano progettato specifiche proprie per la filettatura. Il primo a progettare un filetto standard fu l'ingegnere inglese Joseph Whitworth intorno al 1841. Il sistema Whitworth, ancora oggi in uso, ha due passi, fine e grosso, e il filetto ha una angolazione di 55°. Questo sistema è utilizzato per i raccordi idraulici e pneumatici
Successivamente in Inghilterra fu sviluppato il sistema BA, dal nome del British Association for Advancement of Science. Le viti erano definite con le sigle 2BA, 4BA ecc (i numeri dispari non erano usati quasi mai). Attualmente il sistema è ancora usato in strumenti di misura e macchine fotografiche, ma la serie è definita con valori metrici, con 0BA = 1mm di passo. La vite di fissaggio delle macchine fotografiche al cavalletto è di questo tipo, con passo 1/4"-20.
Gli Stati Uniti adottano un loro sistema, chiamato passo unificato standard ed una variante, chiamata SAE da Society of Automotive Engineers, è utilizzata dall'industria automobilistica americana. Il sistema è ancora basato sul pollici, comunemente usato in USA, anche se l'industria automobilistica ha per il resto aderito al sistema metrico già dagli anni '70.
Le viti sono descritte con coppie di numeri: 4-40, 6-32, 8-32, 10-32, 10-24 ecc per il sistema metrico, oppure 1/4"-20, 1/4"-28 ecc per il sistema basato sui pollici. Il primo è un numero progressivo che permette di risalire al diametro del filetto in millimetri oppure lo esprime direttamente in frazioni di pollice, mentre il secondo è la densità del filetto espresso come numero di creste per pollice lineare.
Viti di questo tipo si possono trovare in vecchi personal computer costruiti secondo le specifiche IBM. Ora sempre più prodotti vengono costruiti in oriente, dove è utilizzato il sistema metrico, ed esportati in tutto il mondo, compresi gli Stati Uniti, dove l'uso del sistema non metrico declinerà sempre più.
Altri sistemi non metrici sono il BSP (British Standard Pipe) e il CEI (Cycle Engineers Institute), utilizzato in Inghilterra per le biciclette.
