واشر فنری

استاندارد DIN127 در تولید واشر فنری متریک

واشر های فنری با استاندارد های مختلفی تولید می شوند که معمول ترین آنها استاندارد آلمانی DIN127 می باشد که در تبیین ابعاد و شکل هندسی واشر های فنری با سایز میلیمتری می پردازد. سایز های قید شده برای واشر ها اغلب یک مقدار اسمی و یک مقدار عددی دارند. چرا که برای اینکه واشر عملا به راحتی بر روی بدنه و جان پیچ حرکت کند می بایست قطر واقع در قسمت داخلی بالاتر از قطر اسمی پیچ داشته باشد. از این رو واشر فنری سایز M5 که بر روی پیچ سایز 5 میلیمتر بسته می شود هر چند دارای سایز اسمی 5 میلیمتر است اما در واقع قطر بیشتری دارد. در جدول زیر به بررسی سایز های واقعی، استاندارد ابعادی و زنی واشر فنری می پردازیم. در این جدول d1 قطر داخلی و d2 قطر خارجی واشر فنری، s ضخامت گرفته شده بر روی یک لبه از واشر و h ارتفاع کلی واشر فنری اندازه گیری شده در حداکثر فاصله دو لبه می باشد.زاویه حداقلی بیرونی واشر فنری استاندارد DIN127 در سری A 60 درجه در نظر گرفته شده است.

سایز واشر فنری	برای دنده	d1 حداقل	d1 حداکثر	d2 حداکثر	b	s	h حداقل	h حداکثر	k	r	وزن هر 1000 عدد واشر فنری kg
3	M3	3,1	3,4	6,2	1,3 ± 0,1	0,8 ± 0,1	1,9	2,1	0,15	0,2	0,11
3,5	M3,5	3,6	3,9	6,7	1,3 ± 0,1	0,8 ± 0,1	1,9	2,2	0,15	0,2	0,12
4	M4	4,1	4,4	7,6	1,5 ± 0,1	0,9 ± 0,1	2,1	2,5	0,15	0,2	0,18
5	M5	5,1	5,4	9,2	1,8 ± 0,1	1,2 ± 0,1	2,7	3,2	0,15	0,2	0,36
6	M6	6,4	6,5	11,8	2,5 ± 0,15	1,6 ± 0,1	3,6	4,2	0,2	0,3	0,83
7	M7	7,1	7,5	12,8	2,5 ± 0,15	1,6 ± 0,1	3,6	4,2	0,2	0,3	0,93
8	M8	8,1	8,5	14,8	3 ± 0,15	2 ± 0,1	4,6	5,4	0,3	0,3	1,6
10	M10	10,2	10,7	18,1	3,5 ± 0,2	2,2 ± 0,15	5	5,9	0,3	0,5	2,53
12	M12	12,2	12,7	21,1	4 ± 0,2	2,5 ± 0,15	5,8	6,8	0,4	1	3,82
14	M14	14,2	14,7	24,1	4,5 ± 0,2	3 ± 0,15	6,8	8	0,4	1	6,01
16	M16	16,2	17	27,4	5 ± 0,2	3,5 ± 0,2	7,8	9,2	0,4	1	8,91
18	M18	18,2	19	29,4	5 ± 0,2	3,5 ± 0,2	7,8	9,2	0,4	1	9,73
20	M20	20,2	21,2	33,6	6 ± 0,2	4 ± 0,2	8,8	10,4	0,4	1	15,2
22	M22	22,5	23,5	35,9	6 ± 0,2	4 ± 0,2	8,8	10,4	0,4	1	16,5
24	M24	24,5	25,5	40	7 ± 0,25	5 ± 0,2	11	13	0,5	1,6	26,2
27	M27	27,5	28,5	43	7 ± 0,25	5 ± 0,2	11	13	0,5	1,6	28,7
30	M30	30,5	31,7	48,2	8 ± 0,25	6 ± 0,2	13,6	16,1	0,8	1,6	44,3
36	M36	36,5	37,7	58,2	10 ± 0,25	6 ± 0,2	13,6	16,1	0,8	1,6	67,3
39	M39	39,5	40,7	61,2	10 ± 0,25	6 ± 0,2	13,6	16,1	0,8	1,6	71,7
42	M42	42,5	43,7	66,2	12 ± 0,25	7 ± 0,25	15,6	18,4	0,8	2	111
45	M45	45,5	46,7	71,2	12 ± 0,25	7 ± 0,25	15,6	18,4	0,8	2	117
48	M48	49	50,6	75	12 ± 0,25	7 ± 0,25	15,6	18,4	1	2	123
52	M52	53	54,6	83	14 ± 0,25	8 ± 0,25	18	21,2	1	2	162
56	M56	57	58,5	87	14 ± 0,25	8 ± 0,25	18	21,2	1	2	193
60	M60	61	62,5	91	14 ± 0,25	8 ± 0,25	18	21,2	1	2	203
64	M64	65	66,5	95	14 ± 0,25	8 ± 0,25	18	21,2	1	2	218
68	M68	69	70,5	99	14 ± 0,25	8 ± 0,25	18	21,2	1	2	228
72	M72	73	74,5	103	14 ± 0,25	8 ± 0,25	18	21,2	1	2	240
80	M80	81	82,5	111	14 ± 0,25	8 ± 0,25	18	21,2	1	2	262
90	M90	91	92,5	121	14 ± 0,25	8 ± 0,25	18	21,2	1	2	290
100	M100	101	102,5	131	14 ± 0,25	8 ± 0,25	18	21,2	1	2	318

استاندارد وزنی قید شده در بالا برای واشر فنری از جنس آهنی و فولادی و با تلرانسی بسیار اندک در موارد استنلس استیل نیز صادق می باشد. استاندارد های معدل DIN127 در تولید واشر فنری در دستگاه های دیگر عبارتند از استاندارد UNI 1751 و CSN 021741. بدیهی است که بسته به فاصله دو لبه برش خورده و زاویه نهایی لبه ها می توانند استاندارد های دیگری که خاصیت کشسانی متفاوتی نیز در اتصالات پیچ و مهره بوجود آورند می توانند مورد استفاده قرار گیرند.

انواع واشر فنری و کاربرد هر کدام

واشرهای فنری انواع مختلفی دارند و از جنس های متفاوتی ساخته می شوند که شامل استیل، آهن، تیتانیوم، فولاد، گالوانیزه، داکرومات و استنلس استیل است. واشرهای استیل و استنلس استیل مقاومت بالا در برابر خوردگی دارند و در صنایع شیمیایی و دریایی کاربرد دارند. واشرهای آهنی و فولادی اقتصادی هستند و در ماشین آلات سبک و سنگین استفاده می شوند. واشرهای تیتانیوم سبک وزن و مقاوم در برابر حرارت بالا هستند و در هوافضا کاربرد دارند. پوشش های گالوانیزه و داکرومات برای افزایش مقاومت در برابر زنگ زدگی و طول عمر اتصال استفاده می شوند. انتخاب جنس بر اساس محیط کاری، بار وارده و هزینه انجام می شود و قیمت هر واشر بین 0.5 تا 10 دلار متغیر است.

نوع واشر فنری	کاربرد اصلی	ظرفیت بار (N)	جنس معمول	ابعاد استاندارد (mm)	حدود قیمت دلاری
واشر تخت فنری	کاهش لغزش و بار شعاعی	50-500	فولاد، آهن، استیل	5-50	0.5-4
واشر مخروطی	تحمل بار محوری بالا	100-1000	فولاد سختکاری شده، استیل، تیتانیوم	6-40	1-7
واشر موجی	جذب ارتعاش و تغییر ضخامت	30-300	استنلس استیل، برنج، گالوانیزه، داکرومات	4-30	1-6
واشر استیل و ضد زنگ	محیط خورنده و دریایی	50-600	استیل، استنلس استیل	5-40	2-8
واشر تیتانیوم	هوافضا و حرارت بالا	80-700	تیتانیوم	4-35	5-10
واشر گالوانیزه و داکرومات	مقاومت در برابر زنگ زدگی	40-500	فولاد با پوشش گالوانیزه یا داکرومات	5-50	1-6

گریدهای کاربردی واشر موجی

• تعریف فنی

  واشر فنری (Spring washer) که به آن واشر قفلی یا split washer نیز گفته می شود، قطعه ای برای جلوگیری از بازشدن مهره تحت ارتعاش است.

• نحوه نصب معمول

  در مونتاژ مرسوم ابتدا پیچ عبور کرده، سپس واشر فنری قرار می گیرد و بعد از آن یک واشر تخت و در نهایت مهره بسته می شود.

• گریدهای آهنی عمومی

  واشر های آهنی در گریدهای 4 و 5 و همچنین گریدهای فولادی سخت مانند گرید 8 تولید می شوند.

  گرید بالاتر سختی و مقاومت کششی بیشتر دارد و برای بارهای سنگین مناسب تر است.

• گریدهای استنلس استیل

  نمونه های استنلس استیل رایج شامل گرید A2 ساخته شده از آستنیت 304 و گرید A4 با آلیاژهای مقاوم تر می باشند.

  A4 نسبت به A2 مقاومت خوردگی بالاتری در محیط های دریایی و شیمیایی دارد.

• استانداردهای سایز متریک

  بیشتر واشرهای میلیمتری مطابق استاندارد DIN 127 تولید می شوند تا تناسب هندسی با پیچ و مهره تضمین شود.

• نمونه های اینچی و استاندارد ASTM

  نسخه های اینچی واشر فنری در استانداردهای ASTM وجود دارند و معمولاً در پیچ های A320، A325 و A490 کاربرد دارند.

  این نمونه ها در اتصالات اینچی یا معادل سازی برای پیچ های متریک شش گوش استفاده می شوند.

• کاربردهای الزامی و اختیاری

  در برخی کاربردها استفاده از واشر فنری اختیاری است و در برخی شرایط ایمنی یا استانداردها آن را اجباری می کنند.

  در اتصالاتی که تحت ارتعاش یا بار دینامیک هستند، استفاده از واشر فنری معمولاً ضروری است.

• مقایسه عملکردی با واشر تخت

  واشر فنری با ایجاد نیروی فنری روی رزوه، تمایل به نگهداری گشتاور را افزایش می دهد و از شل شدن جلوگیری می کند.

  واشر تخت بیشتر برای توزیع بار و محافظت از سطح قطعه کاربرد دارد و عملکرد قفل کنندگی ندارد.

• معیار انتخاب گرید

  انتخاب گرید براساس بار، دمای سرویس، محیط خوردگی و الزامات استاندارد صورت می گیرد.

  برای محیط های خورنده گریدهای A4 و برای بارهای مکانیکی بالا گرید 8 منطقی تر است.

• تلرانس ها و اندازه کاری

  ابعاد واشر باید با قطر و گام رزوه پیچ همخوانی داشته باشد تا تماس صحیح و عملکرد قفل شوندگی برقرار شود.

  رعایت تلرانس های DIN یا ASTM مرتبط برای جلوگیری از لغزش یا شکست قطعه ضروری است.

• اثر گشتاور و نصب

  نصب با گشتاور صحیح اهمیت دارد زیرا گشتاور بیش از حد می تواند هندسه واشر فنری را تغییر دهد و کارایی را کاهش دهد.

  گشتاور کمتر از حد نیز باعث باز شدن اتصال در شرایط دینامیک می شود.

• خلاصه کاربردی و توصیه مهندسی

  برای نیازهای عمومی از گرید 4 یا 5 استفاده کنید و برای بار و خوردگی بالا به گرید 8 یا A4 رجوع کنید.

  همیشه استاندارد سازگاری سایز و الزامات پروژه را پیش از انتخاب نهایی چک کنید.

عوامل موثر بر خرید و قیمت واشر فنری

• جنس مواد سازنده: کیفیت و دوام واشر فنری به جنس فولاد یا آلیاژ آن بستگی دارد. فولاد ضد زنگ قیمت بیشتری دارد. حدود قیمت: 0.5 تا 3 دلار برای هر واشر بسته به سایز و آلیاژ.
• قطر و ضخامت واشر: ابعاد واشر مستقیم روی مقاومت و توان تحمل نیرو تاثیر دارد. واشرهای بزرگتر و ضخیم تر قیمت بالاتری دارند. حدود قیمت: 1 تا 5 دلار.
• فرایند حرارتی و عملیات سطحی: عملیات حرارتی و پوشش ضد زنگ عمر واشر را افزایش می دهد. واشرهای با عملیات حرارتی ویژه گران تر هستند. حدود قیمت: 2 تا 6 دلار.
• شرکت تولیدکننده و برند: برندهای معتبر تضمین کیفیت و دوام ارائه می دهند. واشرهای برند معروف تا دو برابر نمونه معمولی قیمت دارند. حدود قیمت: 1.5 تا 7 دلار.
• نوع کاربرد و استاندارد صنعتی: واشر فنری برای خودرو، ماشین آلات صنعتی یا تجهیزات دقیق طراحی می شود. استاندارد بالاتر هزینه بیشتری دارد. حدود قیمت: 0.7 تا 6 دلار.
• حجم سفارش و بسته بندی: سفارش عمده کاهش قیمت واحدی ایجاد می کند و بسته بندی صنعتی گران تر است. حدود قیمت: از 0.5 دلار در خرید عمده تا 5 دلار برای بسته بندی کوچک.
• نوسانات بازار و نرخ ارز: قیمت مواد اولیه و نرخ دلار روی هزینه نهایی تاثیر می گذارد. نوسانات ارزی ممکن است تا 20 درصد تفاوت ایجاد کند.

نحوه عملکرد Spring Washer در افزایش تنش اتصال

واشر فنری به دلیل برش مارپیچی شبیه یک دور از فنر پیچشی عمل می کند. این طراحی امکان ایجاد نیروی پیش بار را در اتصال فراهم می کند. هنگام بستن مهره بر روی پیچ، واشر فنری بین مهره و واشر تخت قرار گرفته و تحت فشار فشرده می شود. فشردگی باعث ذخیره انرژی الاستیک در محدوده 200 تا 800 نیوتن برای سایزهای متریک M6 تا M20 می گردد. در اثر ارتعاش یا ضربه، زمانی که فاصله ای میکرونی بین سطوح رزوه و واشر تخت ایجاد می شود، انبساط فوری واشر فنری این فاصله را جبران می کند. این رفتار دینامیکی مانع از کاهش تنش اتصال و جلوگیری از باز شدن مهره تحت بارگذاری چرخه ای می شود. به همین دلیل واشر فنری علاوه بر افزایش تنش اولیه اتصال، نقش یک قفل مکانیکی ثانویه را نیز ایفا می کند.

• ساختار هندسی

  واشر فنری دارای برش مارپیچی با زاویه 15 تا 20 درجه است که باعث رفتار فنر پیچشی می شود.

• افزایش تنش اولیه

  در هنگام سفت کردن مهره، فشردگی واشر فنری تنشی بین 200 تا 800 نیوتن ایجاد می کند بسته به قطر پیچ.

• جبران فاصله میکرونی

  در اثر ارتعاش فاصله ای حدود 5 تا 20 میکرون بین سطح مهره و واشر تخت ایجاد می شود که توسط انبساط فنری پر می گردد.

• عملکرد ضد لرزش

  ذخیره انرژی الاستیک در واشر فنری مانع کاهش گشتاور اتصال در بارهای دینامیک تا 15 درصد نسبت به حالت بدون واشر می شود.

• نقش قفل کنندگی

  با ایجاد فشار دائمی بر رزوه، احتمال باز شدن خودکار مهره تا 70 درصد کاهش می یابد.

• کاربرد صنعتی

  در ماشین آلات دارای ارتعاش مانند موتور های احتراق داخلی، الکتروموتور ها و کمپرسور ها استفاده از واشر فنری الزامی است.

نحوه و ماشین آلات تولید واشر فنری

با توجه به وزن بسیار سبکی که واشر های فنری دارند تعداد آنها در هر کیلوگرم بالاخص در سایز کوچکتر بسیار زیاد می باشد و با توجه به قیمت پایینی که دارند عملا قابلیت انجام چند فرایند و مرحکه مختلف در تولید آنها میسر نیست. بدین مفهوم که می بایست پروسه تولید واشر فنری بسیار کوتاه و در حداقل مراحل صورت پذیرد. از این رو از ماشین آلاتی خاص که ساختاری شبیه به ماشین آلات تولید فنر هستند برای این منظور استفاده می شود. البته با توجه به اینکه ماشین آلات تولید انواع فنر (ماشین CNC فنر) بصورت چند منظوره و برای تولید فنر های فرمدار نیز مورد استفاده قرار می گیرد این ماشین آلات با پیچیدگی و قیمت بالاتری روبرو هستند.

فرایند تولید واشر فنری توسط ماشین آلات از دو دو غلتک که حد فاصل آنها به اندازه عرض از لبه واشر فنری تنظیم شده است که بالایی در جهت ساعتگرد و پایینی خلاف ساعتگرد در گردش هستند تشکیل می شود که گردش این دو غلتک در واقع به کششی و باز کردن مفتول از روی قرقره که پروفیل آن متناسب با استاندارد تولید واشر فنری می تواند متفاوت باشد انجام می گیرد. مفتول کشیده شده توسط این دو غلتک به داخل محفظه ای که به شکل یک دور فنر یعنی اولا در جهت ایجاد انحنا در مفتول و ثانیا با انکی اختلاف فاز برای افزایش ارتفاع درز مفتول ها تعبیه شده هل داده می شود و در حین عبور از این منحنی شکل دایره ای واشر فنری شکل می گیرد. طول مفتول کشیده شده در هر بار کشش به اندازه محیط واشر فنری و طبق رابطه C = 2 * pi * r که در آن r شعاع واشر فنری و pi عدد پی برابر با 3.14 است می باشد. پس از کشیده شده مفتول به میزان مورد نظر در تکمیل محیط یک دایره بیرونی واشر فنری یک الماس فلزی بصورت عمودی به برش شدن پروفیل می پردازد. این فرایند بسیار سریع و در کسری از ثانیه انجام می پذیرد. محصول خروجی واشر فنری سیاه بدون فرایند حرارتی و بدون آبکاری سطحی می باشد. با توجه به ترد بودن گرید های فولادی مانند گرید های 8، 9 و 10 از واشر فنری امکان مکش و فرم دادن آنها در دستگاه میسر نبوده و می بایست عملیات سخت کاری حرارتی پس از فرایند تولید واشر صورت پذیرد. به همین ترتیب در صورت نیاز به فرایند آبکاری سطحی این فرایند پس از تولید و پس از عملیات سخت کاری بر روی واشر فنری صورت می پذیرد. همنطور که قید شد فرایند تولید واشر فنری متفاوت با واشر های تخت که بصورت پرسی بر روی ورق ها تولید می شوند صورت می پذیرد.

تاثیر عنصر فلزی وانادیوم در خاصیت فنری

عنصر فلزی وانادیوم با عدد اتمی 23 و عدد جرمی 50 یکی از عناصر فلزی با کاربری بالا در تولید فنر و درصد اندکی از آن در واشر های فنری نیز بالاخص برای گرید های فولادی استفاده می شود. خاصیت اصلی عنصر فلزی وانادیوم ایجاد قابلیت انعطاف پذیری قابل بازگشت یا به بیان ساده تر خاصیت فنری است. از این فلز با درصد های کنترل شده و کم حتی در تولید صفحه های اصطکاکی نیز استفاده می شود. کاربردی درصد بسیار اندکی از عنصر وانادیوم در گرید های فولادی واشر فنری که عملا گرید های خشک با حداقل انعطاف محسوب می شوند سبب می شود که در حین بسته شدن مهره بر روی پیچ واشر فنری در مرحله پرس از شکستن ممانعت به عمل آورد. تولید کنندگان اندکی در دنیا از فلز وانادیون در ترکیب شیمیایی واشر فنری استفاده می کنند که در صورت استفاده نیز قیمت آن بالا می رود.