La Historia del Tornillo / The history of the bolt

At first glance, a bolt may seem like a very simple item that holds things together. But dig a bit deeper and you’ll realise there’s more behind seemingly insignificant bolt and screws than first meets the eye. Without them, all our gadgets and machines would fall to pieces.

A primera vista, un cerrojo puede parecer un artículo muy simple que mantiene unidas las cosas. Pero profundice un poco más y se dará cuenta de que hay más detrás de pernos y tornillos aparentemente insignificantes de lo que parece a simple vista. Sin ellos, todos nuestros aparatos y máquinas se desmoronarían.

 

Bolts are one of the most common elements used in construction and machine design. They hold every­thing together – from screws in electric toothbrushes and door hinges to massive bolts that secure concrete pillars in buildings. Yet, have you ever stopped to wonder where they actually came from?

While the history of threads can be traced back to 400 BC, the most significant developments in the modern day bolt and screw processes were made during the last 150 years. Experts differ as to the origins of the humble nut and bolt. In his article “Nuts and Bolts”, Frederick E. Graves argues that a threaded bolt and a matching nut serving as a fastener only dates back to the 15th century. He bases this conclusion on the first printed record of screws appearing in a book in the early 15th century.

However, Graves also acknowledges that even though the threaded bolt dates back to the 15th century, the unthreaded bolt goes back to Roman times when it was used for “barring doors, as pivots for opening and closing doors and as wedge bolts: a bar or a rod with a slot in which a wedge was inserted so that the bolt could not be moved.” He also implies that the Romans developed the first screw, which was made out of bronze, or even silver. The threads were filed by hand or consisted of a wire wound around a rod and soldered on.

According to bolt expert Bill Eccles’ research, the history of the screw thread goes back much further. Archimedes (287 BC–212 BC) developed the screw principle and used it to construct devices to raise water. However, there are signs that the water screw may have originated in Egypt before the time of Archimedes. It was constructed from wood and was used to irrigate
land and remove bilge water from ships. “But many consider that the screw thread was invented around 400 BC by [Greek philosopher] Archytas of Tarentum, who has often been called the founder of mechanics and considered a contemporary of Plato,” Eccles writes on his website.

The history can be broken down into two parts: the threads themselves that date back to around 400 BC when they were used for items such as a spiral for lifting water, presses for grapes to make wine, and the fasteners themselves, which have been in use for around 400 years.

Moving forward to the 15th century, Johann Gutenberg used screws in the fastenings on his printing presses. The tendency to use screws gained momentum with their use being extended to items such as clocks and armour. According to Graves, Leonardo da Vinci’s notebooks from the late 15th and early 16th centuries include several designs for screw-cutting machines.

What the majority of researchers on this topic do agree on, though, is that it was the Industrial Revolution that sped up the development of the nut and bolt and put them firmly on the map as an important component in the engineering and construction world.

The “History of the Nut and Bolt Industry in America” by W.R. Wilbur in 1905 acknowledges that the first machine for making bolts and screws was made by Besson in France in 1568, who later introduced a screw-cutting gauge or plate to be used on lathes. In 1641, the English firm, Hindley of York, improved this device and it became widely used.

Across the Atlantic in the USA, some of the documented history of the bolt may be found in the Carriage Museum of America. Nuts on vehicles built in the early 1800s were flatter and squarer than later vehicles, which had chamfered corners on the nuts and the flush was trimmed off the bolts. Making bolts at this time was a cumbersome and painstaking process.

Initially, screw threads for fasteners were made by hand but soon, due to a significant increase in demand, it was necessary to speed up the production process. In Britain in 1760, J and W Wyatt introduced a factory process for the mass production of screw threads. However, this milestone led to another challenge: each company manufactured its own threads, nuts and bolts so there was a huge range of different sized screw threads on the market, causing problems for machinery manufacturers.

It wasn’t until 1841 that Joseph Whitworth managed to find a solution. After years of research collecting sample screws from many British workshops, he suggested standardising the size of the screw threads in Britain so that, for example, someone could make a bolt in England and someone in Glasgow could make the nut and they would both fit together. His proposal was that the angle of the thread flanks was standardised at 55 degrees, and the number of threads per inch, should be defined for various diameters.
While this issue was being addressed in Britain, the Americans were trying to do likewise and initially started using the Whitworth thread.

In 1864, William Sellers proposed a 60 degree thread form and various thread pitches for different diameters. This developed into the American Standard Coarse Series and the Fine Series. One advantage the Americans had over the British was that their thread form had flat roots and crests. This made it easier to manufacture than the Whitworth standard, which had rounded roots and crests. It was found, however, that the Whitworth thread performed better in dynamic applications and the rounded root of the Whitworth thread improved fatigue performance.

During World War I, the lack of consistency between screw threads in different countries became a huge obstacle to the war effort; during World War II it became an even bigger problem for the Allied forces. In 1948, Britain, the USA and Canada agreed on the Unified thread as the standard for all countries that used imperial measurements. It uses a similar profile as the DIN metric thread previously developed in Germany in 1919. This was a combination of the best of the Whitworth thread form (the rounded root to improve fatigue performance) and the Sellers thread (60 degree flank angle and flat crests). However, the larger root radius of the Unified thread proved to be advantageous over the DIN metric profile. This led to the ISO metric thread which is used in all industrialised countries today.

Those working in the industry have witnessed much fine-tuning of bolts during recent decades. “When I started in the industry 35 years ago the strength of the bolts was not as fully defined as it is today,” recalls Eccles. “With the introduction of the modern metric property classes and the recent updates to the relevant ISO standards, the description of a bolt’s strength and the test methods used to establish their properties is now far better defined.”

As the raw materials industry has become more sophisticated, the DNA of bolts has changed from steel to other more exotic materials to meet changing industry needs.

Over the last 20 years there have been developments in nickel-based alloys that can work in high temperature environments such as turbochargers and engines in which steel doesn’t perform as well. Recent research focuses on light metal bolts such as aluminum, magnesium and titanium.

Today’s bolt technology has come a long way since the days when bolts and screws were made by hand and customers could only choose between basic steel nuts and bolts. These days, companies like Nord-Lock have invented significant improvements in bolting technology, including wedge-locking systems. Customers can select pre-assembled zinc flake coated or stainless steel washers, wheel nuts designed for flat-faced steel rims, or combi bolts, which are customised for different applications. The acquisition of US company Superbolt Inc. and Swiss company P&S Vorspannsysteme AG (today Nord-Lock AG) has added bolting products used in heavy industry, such as offshore, energy, and mining, to Nord-Lock’s portfolio, taking a huge step in becoming a world leader in bolt securing.

There is also much more emphasis now on analysing joints. “In the past, people used to decide upon a certain size of fastener based on their experience alone. And, fingers crossed, it would work,” Eccles explains. “Nowadays, people focus more on analysis and making sure things work before products are built and sent out into the market.”

Los pernos son uno de los elementos más comunes utilizados en la construcción y el diseño de máquinas. Mantienen todo junto, desde tornillos en cepillos de dientes eléctricos y bisagras de puertas hasta enormes pernos que aseguran pilares de concreto en edificios. Sin embargo, ¿alguna vez te has detenido a preguntarte de dónde vinieron en realidad?

Si bien la historia de los hilos se remonta al 400 aC, los desarrollos más significativos en los procesos modernos de tornillo y tornillo se realizaron durante los últimos 150 años. Los expertos difieren en cuanto a los orígenes de la tuerca y el perno humilde. En su artículo "Nuts and Bolts", Frederick E. Graves argumenta que un tornillo roscado y una tuerca a juego que sirve como un elemento de fijación datan del siglo XV. Él basa esta conclusión en el primer registro impreso de los tornillos que aparecen en un libro a principios del siglo XV.

Sin embargo, Graves también reconoce que aunque el perno roscado data del siglo XV, el perno sin rosca se remonta a la época romana cuando se usaba para "bloquear puertas, como pivotes para abrir y cerrar puertas y como pernos de cuña: una barra o una vara con una ranura en la que se insertó una cuña para que el perno no se pueda mover ". También implica que los romanos desarrollaron el primer tornillo, que estaba hecho de bronce, o incluso de plata. Los hilos se archivaron a mano o consistieron en una herida de alambre alrededor de una varilla y se soldaron en ella.

Según la investigación del experto en pernos, Bill Eccles, la historia de la rosca se remonta mucho más atrás. Arquímedes (287 aC-212 aC) desarrolló el principio del tornillo y lo utilizó para construir dispositivos para elevar el agua. Sin embargo, hay indicios de que el tornillo de agua puede haberse originado en Egipto antes de la época de Arquímedes. Fue construido con madera y fue utilizado para regar
aterrizar y eliminar el agua de sentina de los barcos. "Pero muchos consideran que el hilo de rosca fue inventado alrededor del año 400 aC por el [filósofo griego] Archytas of Tarentum, que a menudo ha sido llamado el fundador de la mecánica y considerado contemporáneo de Platón", escribe Eccles en su página web.

La historia se puede dividir en dos partes: los propios hilos que datan de alrededor de 400 aC cuando se usaron para elementos como una espiral para levantar agua, prensas para uvas para hacer vino y los sujetadores mismos, que han estado en usar durante alrededor de 400 años.

Avanzando hacia el siglo 15, Johann Gutenberg usó tornillos en las fijaciones en sus prensas de impresión. La tendencia a usar tornillos ganó impulso con su uso se extendió a elementos tales como relojes y armaduras. Según Graves, los cuadernos de Leonardo da Vinci de finales del siglo XV y principios del XVI incluyen varios diseños para las máquinas de corte por tornillo.

Sin embargo, lo que la mayoría de los investigadores sobre este tema acuerdan es que fue la Revolución Industrial la que aceleró el desarrollo de la tuerca y el perno y los puso firmemente en el mapa como un componente importante en el mundo de la ingeniería y la construcción.

La "Historia de la industria de tuercas y pernos en América" ​​por WR Wilbur en 1905 reconoce que la primera máquina para fabricar tornillos y pernos fue fabricada por Besson en Francia en 1568, quien más tarde introdujo un calibre o placa de corte con rosca para usar en tornos. En 1641, la firma inglesa, Hindley of York, mejoró este dispositivo y se hizo ampliamente utilizado.

Al otro lado del Atlántico en los EE. UU., Parte de la historia documentada del perno se puede encontrar en Carriage Museum of America. Las tuercas de los vehículos fabricados a principios de 1800 eran más planas y más cuadradas que los vehículos posteriores, que tenían esquinas achaflanadas en las tuercas y la descarga se recortaba de los pernos. Hacer pernos en este momento era un proceso engorroso y laborioso.

Inicialmente, las roscas para los tornillos se fabricaban a mano, pero pronto, debido a un aumento significativo de la demanda, fue necesario acelerar el proceso de producción. En Gran Bretaña en 1760, J y W Wyatt introdujeron un proceso de fábrica para la producción masiva de roscas. Sin embargo, este hito dio lugar a otro desafío: cada compañía fabricó sus propios hilos, tuercas y pernos, por lo que había una gran variedad de roscas de diferentes tamaños en el mercado, lo que causaba problemas a los fabricantes de maquinaria.

No fue sino hasta 1841 que Joseph Whitworth logró encontrar una solución. Después de años de investigación recolectando tornillos de muestra de muchos talleres británicos, sugirió estandarizar el tamaño de las roscas en Gran Bretaña para que, por ejemplo, alguien pudiera hacer un rayo en Inglaterra y alguien en Glasgow pudiera hacer la tuerca y ambos encajarían juntos. . Su propuesta fue que el ángulo de los flancos del hilo se estandarizara en 55 grados, y el número de hilos por pulgada, debería definirse para varios diámetros.
Si bien este tema se estaba abordando en Gran Bretaña, los estadounidenses estaban tratando de hacer lo mismo e inicialmente comenzaron a utilizar el hilo de Whitworth.

En 1864, William Sellers propuso una forma de rosca de 60 grados y varios tonos de rosca para diferentes diámetros. Esto se convirtió en American Standard Coarse Series y Fine Series. Una ventaja que tenían los estadounidenses sobre los británicos era que su forma de hilo tenía raíces y cimas planas. Esto hizo que fuera más fácil de fabricar que el estándar Whitworth, que tenía raíces y crestas redondeadas. Sin embargo, se descubrió que el hilo de Whitworth funcionaba mejor en aplicaciones dinámicas y que la raíz redondeada del hilo de Whitworth mejoraba el rendimiento de la fatiga.

Durante la Primera Guerra Mundial, la falta de consistencia entre los hilos de rosca en diferentes países se convirtió en un gran obstáculo para el esfuerzo de guerra; durante la Segunda Guerra Mundial se convirtió en un problema aún mayor para las fuerzas aliadas. En 1948, Gran Bretaña, EE. UU. Y Canadá acordaron el hilo Unificado como el estándar para todos los países que usaron medidas imperiales. Utiliza un perfil similar al hilo métrico DIN desarrollado previamente en Alemania en 1919. Se trata de una combinación de lo mejor de la forma del hilo de Whitworth (la raíz redondeada para mejorar el rendimiento de la fatiga) y el hilo Sellers (ángulo de flanco de 60 grados y crestas planas ) Sin embargo, el radio de raíz más grande del hilo Unificado demostró ser ventajoso sobre el perfil de métrica DIN. Esto condujo al hilo métrico ISO que se utiliza hoy en todos los países industrializados.

Aquellos que trabajan en la industria han sido testigos de un gran ajuste de pernos durante las últimas décadas. "Cuando comencé en la industria hace 35 años, la fuerza de los pernos no estaba tan definida como lo es hoy", recuerda Eccles. "Con la introducción de las clases de propiedades métricas modernas y las recientes actualizaciones de las normas ISO pertinentes, la descripción de la resistencia de un tornillo y los métodos de prueba utilizados para establecer sus propiedades ahora está mucho mejor definida".

A medida que la industria de las materias primas se ha vuelto más sofisticada, el ADN de los pernos ha cambiado del acero a otros materiales más exóticos para satisfacer las cambiantes necesidades de la industria.

En los últimos 20 años ha habido desarrollos en aleaciones a base de níquel que pueden funcionar en entornos de alta temperatura como turbocompresores y motores en los que el acero no funciona tan bien. La investigación reciente se enfoca en pernos de metal ligero como aluminio, magnesio y titanio.

La tecnología de pernos de hoy en día ha recorrido un largo camino desde los días en que los pernos y tornillos se fabricaban a mano y los clientes solo podían elegir entre tornillos y tuercas de acero básico. Hoy en día, empresas como Nord-Lock han inventado mejoras significativas en la tecnología de empernado, incluidos los sistemas de bloqueo de cuña. Los clientes pueden seleccionar arandelas de acero inoxidable o revestidas con escamas de cinc premontadas, tuercas de rueda diseñadas para llantas de acero de cara plana o pernos combinados, que están personalizados para diferentes aplicaciones. La adquisición de la empresa estadounidense Superbolt Inc. y la empresa suiza P & S Vorspannsysteme AG (hoy Nord-Lock AG) ha agregado productos de empernado utilizados en la industria pesada, como offshore, energía y minería, a la cartera de Nord-Lock, dando un gran paso en convirtiéndose en un líder mundial en aseguramiento de pernos.

También hay mucho más énfasis ahora en el análisis de las articulaciones. "En el pasado, la gente solía decidir sobre un determinado tamaño de cierre basado en su experiencia solo. Y, con los dedos cruzados, funcionaría ", explica Eccles. "Hoy en día, las personas se enfocan más en el análisis y en asegurarse de que las cosas funcionen antes de que los productos se creen y envíen al mercado".

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TEXT: ALANNAH EAMES

PHOTO: ILLUSTRATION: KENT ZEIRON

4 OCTOBER 2012

 

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