شناسایی عیوب رزوه پیچ

شناسایی عیوب رزوه پیچ

مقدمه

رزوه‌ پیچ‌ها یکی از حیاتی‌ترین بخش‌های سیستم‌های اتصالی فلزی هستند. کوچک‌ترین نقص در شکل، زاویه یا عمق رزوه می‌تواند موجب گسیختگی، هرزشدن یا نشت نیرو در اتصال شود. در صنایع حساس مانند نفت و گاز، نیروگاه‌ها و سازه‌های فولادی، کنترل کیفی رزوه پیچ‌ها اهمیت مستقیم در ایمنی و دوام سازه دارد. در این مقاله از متین بولت به بررسی جامع انواع عیوب رزوه، روش‌های شناسایی، ابزارهای کنترل و تأثیرات آن‌ها بر عملکرد پیچ پرداخته می‌شود.شناسایی عیوب رزوه پیچ

این سند با هدف ارائه یک راهنمای جامع و فنی برای مهندسین کنترل کیفیت، طراحان اتصالات و متخصصین تولید تهیه شده است تا با درک عمیق‌تر ماهیت عیوب، بتوانند دقت و قابلیت اطمینان اتصالات را به حداکثر برسانند.

۱. ماهیت و Geometry رزوه

رزوه در حقیقت یک سطح مارپیچی است که روی بدنه پیچ یا داخل مهره ایجاد می‌شود تا گشتاور بستن به نیروی محوری تبدیل شود. این تبدیل انرژی بر اساس هندسه دقیق طراحی صورت می‌گیرد.

۱.۱. پارامترهای کلیدی هندسه رزوه

برای درک عیوب، ابتدا باید پارامترهای اصلی تعریف کننده یک رزوه استاندارد را مرور کرد:

1. گام (Pitch, P): فاصله محوری بین دو دندانه متوالی. در سیستم متریک، P بر حسب میلی‌متر تعریف می‌شود (مثلاً P=1.5 mm).
2. قطر اصلی (Major Diameter, D): بزرگترین قطر خارجی رزوه.
3. قطر فرعی (Minor Diameter, d): کوچکترین قطر داخلی رزوه.
4. قطر مؤثر (Pitch Diameter, Dp): یک قطر اسمی است که بر روی یک سیلندر فرضی قرار دارد که بر روی سطح آن، عرض دندانه و فاصله بین دندانه‌ها برابر باشد. این پارامتر تعیین‌کننده اصلی درگیری نیرو است. [ D_p = D – 2 \cdot \frac{0.6495 \cdot P}{\tan(\alpha)} ] که ( \alpha ) نیم‌زاویه رزوه است.
5. زاویه نیم‌فانک (Half-Angle, ( \alpha )): زاویه‌ای که سطح جانبی (flank) رزوه با محور مرکزی پیچ می‌سازد. برای رزوه استاندارد متریک (M) و UN، این زاویه ( 30^\circ ) است.

ابعاد رزوه پیچ باید با استانداردهای متریک ISO 261 یا UN (سیستم استاندارد ملی آمریکا) تطبیق داشته باشد. هرگونه انحراف از این ابعاد منجر به ناهماهنگی درگشتاور بستن، توزیع نامتعادل تنش و نهایتاً عیب عملکردی می‌شود.

تأمین‌کننده پیچ و مهره فولادی برای پروژه‌های عمرانی

۲. انواع عیوب رزوه پیچ

عیوب رزوه را می‌توان بر اساس منشأ و ماهیت آن‌ها به چهار دسته اصلی تقسیم‌بندی کرد.

۲.۱. عیوب هندسی تولید (Dimensional Defects)

این دسته عیوب مستقیماً ناشی از خطاهای ماشین‌کاری، ابزار دقیق (دنده‌زنی، نورد یا قلاویزکاری) یا تنظیمات نادرست دستگاه‌ها هستند و بر درستی هندسه سطح مارپیچی تأثیر می‌گذارند:

• زاویه flank اشتباه (( \alpha \neq 30^\circ )): اگر ابزار تیزکاری دارای زاویه‌ای بیش از حد یا کمتر از حد استاندارد باشد، سطح تماس با مهره تغییر می‌کند. این امر باعث می‌شود که به جای توزیع بار بر روی دو سطح (درگیری دو جانبه)، بار عمدتاً بر روی یک سطح یا تنها در نوک دندانه متمرکز شود. این تمرکز تنش، به‌ویژه در بارهای دینامیکی و لرزشی، خطر شکست را به شدت افزایش می‌دهد.
• گام غیردقیق (Pitch Error): اگر نرخ تغذیه (feed rate) در حین تولید تغییر کند، گام رزوه یکنواخت نخواهد بود. در این حالت، پیچ ممکن است در یک انتها شل و در انتهای دیگر سفت شود، یا نیروی محوری به شکل پله‌ای اعمال گردد. این امر برای رزوه‌هایی که نیاز به آب‌بندی دقیق دارند (مانند اتصالات لوله‌ای تحت فشار) فاجعه‌آفرین است.
• قطر مؤثر نامنظم (Tapered or Eccentric Pitch Diameter): این عیب زمانی رخ می‌دهد که قطر مؤثر در طول پیچ یکسان نباشد. این مشکل اغلب به دلیل تنظیم نادرست کالیبراسیون ابزار گردان یا سایش نامتقارن ابزار رخ می‌دهد. در اتصالات پیش‌تنیده (Preloaded Joints)، این امر مستقیماً منجر به کاهش نیروی پیش‌بار مورد انتظار می‌شود، زیرا مهره در قسمت‌های باریک‌تر زودتر به تنش تسلیم می‌شود.
• رزوه ناقص (Incomplete Thread): زمانی که عمق رزوه به دلیل عدم برخورد کامل ابزار با قطر اصلی پیچ (Major Diameter) به اندازه کافی نرسیده باشد.شناسایی عیوب رزوه پیچ

۲.۲. عیوب سطحی (Surface Integrity Defects)

این عیوب به وضعیت سطح ماده در ناحیه رزوه مربوط می‌شوند و اغلب بر خواص اصطکاک، سایش و مقاومت خوردگی تأثیر می‌گذارند:

• خراش یا بریدگی (Scratch/Gouge): ایجاد شیارهای عمیق بر روی سطوح جانبی (flanks) که معمولاً ناشی از تماس ابزار کُند، ذرات خارجی در سیال خنک‌کننده یا ورود ذرات سخت در حین فرآیند نورد سرد (Rolling) است. این خراش‌ها به عنوان نقاط تمرکز تنش عمل می‌کنند.
• پوسته یا لبه (Burr/Lip): باقیماندن ماده اضافی در نوک دندانه‌ها یا در ناحیه انتهای رزوه. این مواد اضافه مانع درگیری کامل رزوه با مهره شده و باعث می‌شوند که تنش در دندانه‌های بعدی تحمل شود.
• کیفیت پوشش ضعیف: در پیچ‌های گالوانیزه گرم (HDG)، اگر ضخامت لایه روی بر روی دندانه‌ها بسیار زیاد باشد (بیش از حد مجاز استاندارد ISO 4042)، این امر موجب کاهش قطر مؤثر می‌شود و پیچ در مهره‌های استاندارد هرز می‌گردد (Oversize Condition). در پوشش‌های نازک‌تر، مانند پوشش‌های الکتروپوششی، نازکی پوشش در نواحی بحرانی (مانند ریشه رزوه) منجر به خوردگی گالوانیک زودرس می‌شود.

۲.۳. عیوب متالورژیکی و پس از عملیات حرارتی

این عیوب ارتباط تنگاتنگی با جنس ماده اولیه و فرآیندهای حرارتی و شیمیایی دارند:

• لب‌پری (Chipping/Fatigue near Crest): در موادی که سختی آن‌ها به دلیل عملیات حرارتی بیش از حد افزایش یافته (مثلاً گریدهای 12.9)، دندانه‌ها شکننده می‌شوند. تنش‌های محلی ناشی از بستن اولیه می‌تواند منجر به شکست‌های ترد کوچک در نوک دندانه شود.
• میکروترک شاه‌رزوه (Root Micro-cracks): ترک‌های بسیار ریز و مویی که در ناحیه ریشه رزوه (محل تلاقی سطح جانبی و قطر فرعی) شکل می‌گیرند. این ترک‌ها اغلب ناشی از خستگی اولیه در مرحله تولید یا پس از فرآیند کرنش‌سختی (Work Hardening) هستند و زیر میکروسکوپ‌های با قدرت بالا قابل مشاهده‌اند.
• اعوجاج رزوه (Thread Distortion): تغییر شکل ابعادی پس از فرآیندهای شیمیایی یا حرارتی. به عنوان مثال، اچ (Etching) نامناسب قبل از آبکاری یا عملیات حرارتی مجدد می‌تواند باعث تورم یا انقباض غیریکنواخت ماده و تغییر در پروفایل زاویه شود.

۲.۴. عیوب مونتاژی و ناشی از کاربری

این عیوب در طول فرآیند نصب یا استفاده از اتصال ایجاد می‌شوند:

• رزوه هرز (Stripped Thread): زمانی که گشتاور اعمالی بسیار فراتر از حد مجاز باشد، ماده از روی دندانه پیچ یا مهره جدا می‌شود. این پدیده معمولاً با صدای غیرعادی همراه است و اتصال دیگر هیچ نیرویی منتقل نمی‌کند.
• گیر کردن یا سایش چسبنده (Galling/Seizing): این عیب به خصوص در اتصالات استیل زنگ‌نزن (Stainless Steel) یا فلزات مشابه رخ می‌دهد، جایی که به دلیل فشار بالا و کمبود روانکار، سطوح فلزی به یکدیگر جوش سرد می‌شوند و سپس با اعمال نیروی چرخشی، جوش شکسته می‌شود و سطح دندانه به شدت آسیب می‌بیند.
• عدم تطابق گام (Mismatched Pitch): تلاش برای بستن پیچی با رزوه متریک بر روی مهره‌ای با رزوه اینچی (مثلاً UN) یا استفاده از دو استاندارد گام متفاوت در یک اتصال واحد.شناسایی عیوب رزوه پیچ

۳. روش‌های شناسایی و کنترل عیوب رزوه

کنترل کیفیت رزوه نیازمند ترکیبی از روش‌های بازرسی چشمی، ابعادی و غیرمخرب است.

۳.۱. بازرسی چشمی و نوری (Visual and Optical Inspection)

این اولین و سریع‌ترین مرحله است:

• بزرگ‌نمایی: استفاده از ذره‌بین‌های با بزرگ‌نمایی ۵ تا ۲۰ برابر برای مشاهده عیوب سطحی مانند خراش‌ها، زبری‌ها و وجود پلیسه.
• روشنایی: استفاده از نورکولر زاویه‌دار ۴۰۰۰K (نور سفید خنثی) که با تابش مایل بر روی سطح، سایه‌های بلند ایجاد کرده و نقص‌های کوچک را برجسته می‌سازد.
• دوربین‌های صنعتی: در خطوط تولید اتوماتیک، دوربین‌های با وضوح بالا که رزولوشن پیکسل کافی برای بررسی عمق خراش‌ها را دارند، استفاده می‌شوند.

۳.۲. گیج‌های قابل عبور و غیرقابل عبور (GO/NOGO Thread Gauges)

این ابزارها مطابق با استانداردهای ISO 1502 یا ANSI B1.2 برای کنترل پارامترهای اصلی (قطر مؤثر، قطر اصلی و گام) طراحی شده‌اند:

• گیج GO (Go Gauge): این گیج باید بدون اعمال نیروی زیاد (به عنوان مثال، نباید بیش از دو دور بچرخد) کاملاً از رزوه عبور کند. عبور موفقیت‌آمیز نشان می‌دهد که رزوه کوچکترین اندازه مجاز را نقض نکرده است (یعنی رزوه Over-size نیست).
• گیج NOGO (Not-Go Gauge): این گیج نباید بیش از ۱.۵ تا ۲ دور کامل در رزوه درگیر شود. اگر گیج NOGO بیش از حد وارد شود، نشان‌دهنده این است که رزوه بزرگتر از حد مجاز (Under-size) است یا گام آن نادرست است.

۳.۳. اندازه‌گیری سه‌سیمی (Three Wire Method)

این روش دقیق‌ترین روش مکانیکی برای تعیین قطر مؤثر (Pitch Diameter) است و برای رزوه‌هایی که تحت تلرانس‌های بسیار سخت (مانند ابزارهای دقیق یا پیچ‌های تنظیم) ساخته می‌شوند، ضروری است:

1. سه سیم دقیق (معمولاً از جنس تنگستن کاربید یا فولاد ابزار) با قطر مشخص ( d_w ) در شیارهای رزوه قرار داده می‌شوند.
2. سیم‌ها با یک میکرومتر استاندارد اندازه‌گیری می‌شوند تا فاصله بین سطوح خارجی آن‌ها به دست آید (( M )).
3. قطر مؤثر ( D_p ) از طریق فرمول زیر محاسبه می‌شود: [ D_p = M – d_w \cdot (1 + \frac{1}{\sin(\alpha)}) ] یا در فرم کلی‌تر برای زاویه ( 2\alpha ): [ D_p = M – \frac{1}{\sin(\alpha)} \cdot \frac{d_w}{2} \cdot (1 + \frac{1}{\sin(\alpha)}) ] (توجه: فرمول دقیق باید بر اساس نوع سیم و استاندارد مورد استفاده تنظیم شود؛ این فرمول نمایشی از اصل اندازه‌گیری است).

۳.۴. میکروسکوپی و متالوگرافی (Metallography and Microscopy)

برای شناسایی عیوب پنهان:

• آنالیز شکست (Fractography): قطعه معیوب به طور کنترل شده شکسته شده و سطح شکست زیر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) بررسی می‌شود تا منشأ ترک‌های خستگی یا بریدگی‌های میکروسکوپی مشخص گردد.
• برش و پولیش (Cross-Sectioning): یک نمونه از پیچ بریده شده، مانت شده و پولیش می‌شود تا مقطع عرضی رزوه نمایان شود. این مقطع زیر میکروسکوپ نوری مورد بررسی قرار می‌گیرد تا اعوجاج‌های ناشی از حرارت یا سختی نامناسب در ریشه و نوک دندانه قابل مشاهده باشد.

۳.۵. آزمون گشتاور و پیش‌بار (Torque and Preload Testing)

این آزمون عملکردی، عیوب را به صورت غیرمستقیم آشکار می‌کند. دستگاه‌های تست کشش-پیچش (Tension-Torsion Testers) برای پیچ‌ها به کار می‌روند:

• دستگاه، همزمان گشتاور اعمالی (( T )) و نیروی محوری ایجاد شده (( F )) را ثبت می‌کند.
• منحنی T-F: توزیع تنش در رزوه، کیفیت سطح و ضریب اصطکاک (که تحت تأثیر عیوب سطحی است) بر روی این منحنی منعکس می‌شود. یک اتصال دارای رزوه آسیب‌دیده، به ازای گشتاور یکسان، نیروی پیش‌بار کمتری ایجاد خواهد کرد. [ T = K \cdot F \cdot d_n + F \cdot \mu_{thread} \cdot \frac{d_2}{2 \cdot \cos(\alpha)} ] که ( K ) ضریب اثر پیچ، ( \mu_{thread} ) ضریب اصطکاک رزوه و ( d_n ) قطر نامی است.

۳.۶. آزمون پوشش و خوردگی (Coating and Corrosion Testing)

برای پیچ‌های با پوشش سطحی:

• ایکس-ری فلورسانس (XRF): برای اندازه‌گیری غیرمخرب ضخامت پوشش روی، نیکل یا کروم در نواحی حساس رزوه. ضخامت‌های بسیار کم یا زیاد به عنوان عیب طبقه‌بندی می‌شوند.
• تست نمک‌پاشی (Salt Spray Test – ASTM B117): پیچ‌ها در محیط با غلظت استاندارد نمک و رطوبت قرار داده می‌شوند. زمان رسیدن به اولین نشانه‌های خوردگی (Time to First Rust) شاخصی از کیفیت پوشش در برابر عیوب احتمالی در پوشش‌دهی رزوه است.

۴. اثر عیوب رزوه بر عملکرد اتصال

عیوب رزوه، فارغ از ماهیت آن‌ها (هندسی، سطحی یا متالورژیکی)، به طور مستقیم بر قابلیت اطمینان اتصال تأثیر می‌گذارند:

• افت گشتاور مؤثر (Torque Efficiency Loss): اگر سطح جانبی دارای زبری بالا یا خراش باشد، اصطکاک افزایش یافته و بخش زیادی از گشتاور اعمالی صرف غلبه بر این اصطکاک می‌شود، نه ایجاد نیروی محوری مورد نیاز.
• کاهش پایداری پیش‌بار (Preload Instability): همانطور که ذکر شد، انحرافات گام یا قطر مؤثر، رابطه غیرخطی بین گشتاور و پیش‌بار ایجاد می‌کند. در یک محیط لرزشی، این عدم پایداری منجر به شل شدن و در نهایت خرابی اتصال می‌شود.
• افزایش تمرکز تنش و شکست خستگی: ترک‌های ریشه رزوه (Micro-cracks) به عنوان بزرگترین نقاط تمرکز تنش عمل می‌کنند. در شرایط بارگذاری چرخه‌ای، انرژی لازم برای شروع شکست خستگی در این نقاط بسیار پایین‌تر از حالت ایده‌آل است.
• کاهش مقاومت محیطی: در صورت وجود خراش یا نازکی پوشش در ریشه، این نواحی به عنوان آندهای فعال عمل کرده و خوردگی موضعی (Pitting Corrosion) به سرعت آغاز می‌شود، به‌ویژه در محیط‌های شیمیایی یا دریایی.
• نشتی در اتصالات فشارقوی: در اتصالات لوله (مانند پیچ و مهره‌های فلنج‌ها)، اگر رزوه به دلیل بزرگی بیش از حد یا وجود پلیسه درگیری کاملی نداشته باشد، آب‌بندی مکانیکی در شیارهای فلنج مختل شده و منجر به نشتی می‌شود.

۵. دستورالعمل‌های کنترل کیفی در خطوط تولید

برای تولید پیچ‌هایی با رزوه‌های با کیفیت بالا، رعایت دقیق پروتکل‌های QC در حین تولید الزامی است. در کارخانه‌های پیشرو مانند متین بولت، کنترل رزوه یک فرآیند مداوم است:

1. کالیبراسیون ابزارهای دنده‌زنی: ابزارهای اصلی (دای‌ها، رولینگ دای‌ها و گیج‌های مرجع) باید به صورت دوره‌ای و دقیق کالیبره شوند. به عنوان مثال، کالیبراسیون گیج‌های کنترلی باید هر ۶ ماه یکبار یا پس از تولید هر ۵۰۰۰۰۰ واحد انجام شود.
2. بهینه‌سازی پارامترهای برش: سرعت برش، نرخ تغذیه و عمق نهایی رزوه باید بر اساس سختی و آلیاژ فولاد تنظیم شوند تا از ایجاد تنش حرارتی بیش از حد و اعوجاج جلوگیری شود.
3. استفاده از روانکار مناسب: در فرآیند دنده‌زنی مکانیکی (نه نورد سرد)، استفاده از سیالات برش با خواص ضد سایش (مانند روغن‌های سولفوردار) برای به حداقل رساندن سایش ابزار و جلوگیری از جوش سرد (Galling) ضروری است.
4. بازرسی نمونه‌گیری (AQL Sampling): بازرسی هندسی (GO/NOGO) باید بر اساس طرح نمونه‌گیری آماری (مانند ISO 2859) انجام شود. برای پیچ‌های بحرانی، سطح پذیرش (Acceptable Quality Level – AQL) باید بسیار سخت‌گیرانه، مثلاً AQL 0.65 برای عیوب جدی (Major Defects) تعیین گردد.
5. مانیتورینگ اتوماتیک گشتاور: در فرآیندهای مونتاژ یا تست نهایی، سیستم‌های پایش گشتاور-زاویه باید به صورت آنلاین کار کنند. هرگونه انحراف از منحنی استاندارد (به عنوان مثال، بیش از ۱۰ درصد تغییر در منحنی اصطکاک نسبت به بچ قبلی) باید منجر به توقف خط و بررسی منشأ عیب شود.

۶. فناوری‌های نوین در بازرسی رزوه

پیشرفت در بینایی ماشین (Machine Vision) و اسکنر‌های لیزری، روش‌های سنتی را متحول کرده است:

• Optical Thread Analyzers (OTAs): این دستگاه‌ها از تکنیک‌های تصویربرداری چند زاویه‌ای یا لیزری برای جمع‌آوری داده‌های نقاط سه‌بعدی از کل سطح رزوه استفاده می‌کنند.
• بازسازی پروفایل سه‌بعدی: نرم‌افزارهای پیشرفته، با استفاده از این داده‌ها، مدل CAD رزوه‌ی ساخته شده را با مدل طراحی مقایسه می‌کنند و هرگونه انحراف در زاویه، گام و عمق را با دقت میکرونی نمایش می‌دهند.
• تشخیص میکرو‌عیوب با هوش مصنوعی (AI): الگوریتم‌های یادگیری ماشینی می‌توانند با آموزش بر روی هزاران نمونه رزوه معیوب و سالم، میکروترک‌ها و خراش‌هایی که ممکن است توسط بازرس انسانی نادیده گرفته شوند، با سرعت بالا شناسایی کنند. این سیستم‌ها امکان بازرسی ۱۰۰٪ از تولیدات را بدون کاهش سرعت خط فراهم می‌آورند.

۷. جمع‌بندی

کنترل و شناسایی عیوب رزوه پیچ نه‌تنها تضمین‌کننده‌ی استحکام اتصال، بلکه شاخص اصلی کیفیت تولید صنعتی محسوب می‌شود. از انحراف کوچک گام گرفته تا ترک مویی در لبه رزوه، هر عیب می‌تواند در پروژه‌های حساس (فشار بالا، لرزشی یا حرارتی) منجر به زیان‌های سنگین و حتی حوادث ایمنی شود.

در متین بولت، فرآیند بازرسی رزوه شامل پایش ابعادی دقیق با استفاده از گیج‌های استاندارد، آزمون عملکردی گشتاور-پیش‌بار برای شبیه‌سازی شرایط واقعی، و آنالیز متالوگرافی دوره‌ای برای اطمینان از سلامت ساختاری است. این رویکرد چندلایه تضمین می‌کند که هر پیچ قبل از خروج از خط تولید، از نظر ایمنی و دقت هندسی، بالاترین گواهینامه کنترل کیفیت را دریافت کند.