¿Cómo hacer que los tornillos duren más bajo tensión? En este artículo se analizan métodos para aumentar la resistencia a la fatiga de los tornillos, esencial para evitar fallos en entornos sometidos a grandes esfuerzos, como los motores. Conozca la selección de materiales, los tratamientos térmicos y las técnicas de diseño que pueden prolongar considerablemente la vida útil de sus tornillos. Siga leyendo para descubrir las estrategias clave que garantizan la fiabilidad de sus tornillos incluso en las condiciones más duras.
En los equipos modernos, los pernos suelen funcionar bajo cargas variables. Por ejemplo, un tipo de tornillo de culata de motor de combustión interna trabaja en un entorno duro bajo tensiones repetidas.
La estructura no permite aumentar el tamaño de los pernos, por lo que es necesario mejorar su resistencia y su resistencia a la fatiga por tracción.
En otras palabras, existen mayores exigencias para la vida a fatiga por tracción de dichos pernos.
Dada la diversidad de requisitos de los usuarios y los distintos entornos de funcionamiento de los elementos de fijación, es esencial establecer y seleccionar indicadores de vida útil en entornos normalizados, en los que las condiciones de carga sean el factor más significativo.
Las condiciones de carga a las que se hace referencia aquí son los valores de carga máxima y mínima aplicados al perno durante la prueba de fatiga.
Actualmente, tanto las normas ISO como nuestras normas nacionales para pernos con una clasificación σb≥1200MPa fijan el valor de carga máxima en 46% de la carga mínima de rotura por tracción del perno: el valor K (factor de carga).
Las normas especifican valores estándar mínimos de carga de rotura para pernos de diferentes diámetros.
Estos valores sirven de base para la aceptación de la resistencia a la tracción estática y de base para la carga de ensayo de fatiga (carga máxima de ensayo de fatiga = carga mínima de tracción × factor de carga K).
Por ejemplo, para los tornillos de cabeza hexagonal de acero aleado, el valor K se fija en 0,46.
La carga mínima en el ensayo de tracción por fatiga viene determinada por la relación de carga R. R = carga mínima / carga máxima, R = 0,1.
Bajo las estipulaciones de carga mencionadas, hay un índice de vida útil unificado. Es decir, entre los especímenes de muestra prescritos, el número mínimo de ciclos no es inferior a 4,5×104.
Cualquier recuento superior a 13×104 en las muestras se considera de 13×104 para calcular la media.
Según las normas relacionadas en China (como GB/T 3098.1-2000), los requisitos de comportamiento a la fatiga sólo se especifican para pernos con σb≥1200MPa.
La principal razón para imponer requisitos de resistencia a la fatiga a los acero de alta resistencia es que, si bien su resistencia es mayor, su reserva de plasticidad es notablemente inferior a la de los aceros de resistencia media y baja.
Comparar este requisito con las aleaciones a base de níquel y las aleaciones de titanio, que tienen una mayor resistencia y una buena reserva de plasticidad, es obviamente inadecuado. Por ejemplo, 40CrNiMo, 30CrMnSi, etc.
Si elegimos una aleación de mayor resistencia material de acero como la aleación americana INCONEL 718, que puede tener una resistencia superior a 1600MPa, demostrará altos valores de vida útil durante las pruebas de fatiga en condiciones de carga típicas. Tomemos como ejemplo el tornillo M6.
Si la carga de ensayo de fatiga especificada por la norma es de 11,01 kN, y la carga de rotura por tracción estática es de 23,93 kN, mientras que la carga de rotura por tracción estática real de la aleación INCONEL 718 puede alcanzar hasta 35 kN.
Si seguimos utilizando 11,01kN como Pmax para el ensayo de fatiga, sólo equivaldría a 31% de la carga estática de rotura por tracción, naturalmente, su valor de vida útil será mayor.
Sin embargo, para materiales de alta resistencia como el 30CrMnSiNi, su sensibilidad a la entalla es extremadamente alta, y los valores de vida útil durante los ensayos de fatiga por tracción son muy bajos. No son adecuados para su uso en componentes roscados que requieran resistencia a la fatiga por tracción.
Mientras que ciertos materiales pueden igualar la carga estática de rotura por tracción de aceros aleados como 30CrMnSi, no cumplen los requisitos estándar en los ensayos de vida a fatiga al mismo nivel de carga, como la aleación de titanio Ti6Al4V.
Para alinear su valor de vida a fatiga con 30CrMnSi y otros aceros aleados, el nivel de carga debe reducirse a 40% (es decir, tomando el valor K en 40%) y para otros tipos de aleaciones de titanio (como Ti21523), K debe reducirse a 36%.
Sin embargo, este enfoque es problemático: normalmente, aleación de titanio con una resistencia estática equivalente tienen un mejor comportamiento a la fatiga que los tornillos de acero similares.
Se trata de un conocimiento básico de las propiedades de los distintos materiales. En este caso, el valor K de los tornillos de aleación de titanio puede ser sin duda superior a 0,46, y definitivamente no tan bajo como 0,36.
Por lo tanto, para uniones atornilladas que requieran una elevada resistencia estática a la tracción y una mayor vida útil a la fatiga por tracción, lo correcto es selección de materiales debe recibir la atención adecuada.
Fractura por fatiga y la fractura retardada son dos razones principales del fallo de los componentes mecánicos, lo que constituye un concepto confuso. La fractura retardada en los pernos suele deberse a un comportamiento de daño inducido por hidrógeno causado por el chapado superficial, que básicamente no está relacionado con la fractura por fatiga.
En términos generales, cuando la resistencia a la tracción del acero es de unos 1200MPa, tanto la resistencia a la fatiga como la resistencia a la fractura retardada aumentan con el incremento del resistencia y dureza.
Sin embargo, cuando la resistencia a la tracción supera aproximadamente los 1200MPa, la resistencia a la fatiga ya no sigue aumentando y, en cambio, la resistencia a la fractura retardada disminuye bruscamente.
La mayor parte del acero utilizado en la fabricación mecánica es de tipo medio. acero aleado al carbonoSe utiliza en estado templado, con una resistencia a la tracción que suele oscilar entre 800 y 1000 MPa.
Aumentar su resistencia no es difícil, pero el mayor reto reside en resolver el problema de la corta vida útil tras la mejora de la resistencia.
Fallo por fatiga y los problemas de fractura retardada son los principales obstáculos a la alta resistencia y larga duración del acero utilizado en la fabricación mecánica.
El tratamiento térmico es un factor crítico, en particular el revenido durante el proceso de enfriamiento de pernos de alta resistencia. En la zona de templado a alta temperatura, es probable que se formen impurezas como azufre y fósforo.
Cuando estas impurezas se acumulan en los límites del grano, pueden provocar una fractura frágil, especialmente cuando la dureza supera los 35 HRC, la tendencia a la fragilidad aumenta significativamente.
Antes del refuerzo, la probabilidad de fallo por fatiga de tracción en elementos de fijación roscados es la siguiente: 65% de fallos se producen en el primer enganche con la tuerca, 20% de fallos se producen en la transición entre la rosca y el vástago (aunque esta afirmación es exacta en líneas generales, hay que tener en cuenta que la causa fundamental del fallo por fatiga en estos puntos sigue siendo debida a la alta concentración de tensiones), que se produce en el extremo de las roscas, y 15% de fallos se producen en el radio de transición entre la cabeza del tornillo y el vástago, como se muestra en la figura 1.
Cabe destacar que estas estadísticas se basan en la condición de que las líneas de flujo de metal de todo el elemento de fijación no estén dañadas.
Para mejorar la vida útil a la fatiga por tracción, se pueden tomar medidas tanto en la forma del tornillo como en el proceso, siendo actualmente los métodos más eficaces los siguientes.
2.2.1 Utilización de roscas MJ (es decir, roscas reforzadas)
La principal diferencia entre las roscas MJ y las roscas normales radica en el diámetro menor (d1) y el radio (R) de las roscas exteriores, como se muestra en la figura 2.
La característica principal de las roscas MJ es un diámetro menor (d1) mayor que el de las roscas normales, con un radio de filete de raíz mayor, lo que reduce la concentración de tensiones en el tornillo.
Se establecen requisitos específicos para R (Rmáx=0,18042P, Rmín=0,15011P, siendo P el paso), mientras que las roscas normales no tienen tales requisitos e incluso pueden ser rectas. Este cambio significativo mejora en gran medida el rendimiento a la fatiga por tracción del diámetro menor.
Actualmente, las roscas MJ se utilizan mucho en tornillería aeroespacial.
2.2.2 Mejora de la resistencia a la fatiga de las roscas
Al utilizar el proceso de laminado de roscas, debido a los efectos del endurecimiento por trabajo en frío, se produce una tensión residual de compresión en la superficie, lo que permite que el flujo direccional de las fibras metálicas internas del perno sea racional e ininterrumpido.
En consecuencia, la resistencia a la fatiga puede ser de 30% a 40% superior a la de las roscas mecanizadas por torneado.
Si la rosca se enrolla después del tratamiento térmico, se refuerza la superficie de la pieza y se crea una tensión residual que puede mejorar el límite de fatiga superficial del material entre 70% y 100%.
Este proceso también tiene ventajas como el alto aprovechamiento del material, la alta tasa de producción y el bajo coste de fabricación. La Tabla 1 muestra los valores de vida a fatiga con diferentes métodos de proceso.
El material del perno de ensayo es 30CrMnSiA, la norma del perno es GJB 121.2.3, y 6×26 (es decir, MJ6) se somete a ensayo de fatiga por tracción de acuerdo con el método de ensayo, con carga de fatiga de ensayo: Pmax=10,1kN, Pmin=1,01kN. Los resultados se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1: Vida útil a la fatiga (número de ciclos) con diferentes métodos de proceso
| Test No. | A | B | C | D |
| Antes del tratamiento térmico, laminar en frío el tornillo roscado. | Antes del tratamiento térmico, no laminar en frío el tornillo roscado. | Tras el tratamiento térmico, laminar en frío el tornillo roscado. | Después del tratamiento térmico, no laminar en frío el tornillo roscado. | |
| 1 | 17800 | 13800 | 130000 | 130000 |
| 2 | 11900 | 11600 | 130000 | 93700 |
| 3 | 13400 | 17400 | 130000 | 70400 |
| 4 | 20100 | 8700 | 130000 | 103300 |
| 5 | 15500 | 18100 | 130000 | 98600 |
| 6 | 18000 | 15200 | 130000 | 51300 |
| 1 | 14100 | 11300 | 130000 | 95800 |
| 8 | 8400 | 12000 | 130000 | 88100 |
| 9 | 18200 | 17300 | 127600 |
De la tabla 1 se desprende que la resistencia a la fatiga por tracción del filete r en el punto de inflexión del perno roscado laminado en frío, tras el tratamiento térmico, es óptima (véase la figura 1). Los requisitos para el valor de r en la extrusión en frío no son estrictos. Las especificaciones técnicas sólo estipulan un límite superior de deformación.
2.2.3 Control estricto de las dimensiones finales
Como se muestra en la figura 1, la zona de transición entre la rosca del perno y el vástago liso es una de las fuentes significativas de fatiga. El control estricto de las dimensiones finales para dar forma a la zona de transición es una medida crucial para mejorar la vida útil a la fatiga en esta región.
Por lo tanto, durante el diseño y la fabricación de las ruedas de laminado de roscas, es imperativo rectificar estrictamente los extremos de acuerdo con las normas, y controlar estrictamente la posición de laminado de roscas durante el proceso.
Las medidas específicas pueden incluir un filete de transición más grande, como se muestra en la Figura 3a, la creación de estructuras de descarga, como se muestra en las Figuras 3b y 3c, y el corte de una ranura de retirada de la herramienta en el extremo de la rosca también puede reducir la concentración de tensiones (los diagramas esquemáticos de las Figuras 3b y 3c pueden inducir a error. En efecto, el aumento del filete en la zona de transición ayuda a aliviar la concentración local de tensiones).
La extrusión en frío del filete r en el punto de giro del tornillo, como se muestra en la figura 1, puede aumentar la vida a fatiga por tracción en este punto. Como muestra la Tabla 1, si sólo se toman las medidas de refuerzo de 2.2.1, 2.2.2 y 2.2.3, las fracturas por fatiga se producirán exclusivamente en el punto de giro del tornillo.
Por lo tanto, el refuerzo por extrusión en frío del filete r es una de las medidas importantes para mejorar la vida global a fatiga por tracción del tornillo.
Debido a un diseño, fabricación y montaje deficientes, pueden producirse cargas excéntricas en los pernos. Las cargas excéntricas pueden inducir tensiones de flexión adicionales en los pernos, reduciendo significativamente su resistencia a la fatiga. Por lo tanto, deben tomarse las medidas estructurales y de proceso adecuadas para evitar la generación de torsión adicional.
(1) El ángulo del avellanado del tornillo debe ser exacto, permitiendo sólo una desviación positiva de 0° a 0,5°, sin permitir desviaciones negativas.
(2) La superficie de apoyo del perno debe ser plana y perpendicular al eje del orificio del perno.
(3) Para los orificios de montaje en la pieza, como los de las cabezas hexagonales, el chaflán del orificio debe cumplir las normas internacionales.
La precarga es una de las cuestiones más críticas en las uniones roscadas. La teoría y la práctica han demostrado que, manteniendo constante la rigidez del perno y de las piezas unidas, un aumento adecuado de la precarga mejora significativamente la resistencia a la fatiga por tracción. Esta es la razón por la que el esfuerzo de precarga del perno puede alcanzar hasta 0,7 a 0,8 del límite elástico (σs).
Por lo tanto, es crucial controlar con precisión la precarga y mantener su valor. La magnitud de la precarga se controla mediante una llave dinamométrica preajustada o arandelas indicadoras de precarga.
La precarga necesaria varía en función de las condiciones y, para estimarla, se suelen utilizar fórmulas empíricas basadas en la experiencia previa.
Para la precarga mecánica general: σp = (0,5 a 0,7)σspara uniones de alta resistencia: σp = 0,75σs (es el límite elástico). Este método de expresar la precarga contradice el enfoque 46% antes mencionado.
Recientemente, un nuevo método de conexión por pernos que consiste en precargar el tornillo hasta el límite elástico, permitiendo que el tornillo trabaje dentro de la región plástica. Para más detalles, consulte el artículo "Plastic Screw Domain Connection" de Ichiro Maruyama, publicado en "Mechanical Research", volumen 40, nº 12, 1988. Para conexiones precargadas críticas frente a la fatiga, deben realizarse ensayos de vida a fatiga bajo diferentes precargas para determinar los valores de precarga correctos y utilizables.
A partir de datos experimentales y de la experiencia práctica, el documento propone varias medidas específicas para mejorar la resistencia a la fatiga por tracción de los pernos, abordando aspectos de selección de materiales, mecanizado y montaje.
Algunas de estas medidas han demostrado su eficacia en aplicaciones prácticas, mientras que ciertos datos empíricos y conclusiones esperan una mayor exploración teórica y validación.
En resumen, deben adoptarse medidas globales para mejorar la resistencia a la fatiga por tracción de los tornillos; ninguna medida por sí sola puede satisfacer la necesidad global de resistencia a la fatiga.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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