¿Se ha preguntado alguna vez qué diferencia a los tornillos de alta resistencia de los normales? Los pernos de alta resistencia están diseñados para soportar cargas extremas mediante fricción estática, lo que los hace esenciales en la construcción y la maquinaria, donde la durabilidad y la seguridad son primordiales. Este artículo explica su diseño exclusivo, sus diferencias con los tornillos normales y por qué son cruciales para conseguir estructuras robustas y resistentes. Descubra cómo estos pernos contribuyen a mejorar el rendimiento y la fiabilidad en aplicaciones exigentes.
El perno de agarre por fricción de ultra alta resistencia representa un avance significativo en la tecnología de tornillería, ya que ofrece un mayor rendimiento al tiempo que minimiza el tamaño y el peso. Este innovador diseño de tornillo mantiene una fuerza de apriete equivalente a la de los tornillos tradicionales a pesar de sus reducidas dimensiones, lo que se traduce en varias ventajas clave:
Los pernos de agarre por fricción de alta resistencia, también conocidos como pernos HSFG, son elementos de fijación especializados diseñados para aplicaciones de alta carga en las que la estabilidad de la unión es crucial. Estos tornillos funcionan según el principio de la fricción en lugar de la resistencia al cizallamiento. Cuando se aprietan a un par específico, crean una fuerza de sujeción que genera fricción entre las piezas conectadas, "bloqueándolas" eficazmente.
Las principales características de los pernos HSFG son:
La variante de Ultra Alta Resistencia mejora aún más estas propiedades, ampliando los límites de lo que es posible en el diseño y la aplicación de tornillos.
Fijaciones físicas de grado 16.8 y 19.8
Un tornillo de alta resistencia, más concretamente un tornillo de agarre por fricción de alta resistencia (HSFG), es un elemento de fijación especializado diseñado para aplicaciones estructurales críticas. Aunque el término "tornillo de alta resistencia" es de uso común en la construcción, es importante entender su denominación completa para evitar conceptos erróneos acerca de su función y propiedades.
La característica distintiva de los pernos HSFG no reside únicamente en la resistencia de sus materiales, sino en su capacidad para desarrollar y mantener elevadas fuerzas de apriete. Estos pernos están diseñados para precargarse a una tensión específica, creando un agarre por fricción entre los elementos conectados que resiste las fuerzas de cizallamiento mediante fricción estática en lugar de cizallamiento en el vástago del perno.
Mito 1: Un grado de material superior a 8,8 define un "tornillo de alta resistencia"
Se trata de un error muy común. La diferencia clave entre los tornillos de alta resistencia y los tornillos estándar es el método de aplicación y el mecanismo de carga, no sólo la resistencia del material. Los pernos HSFG se diseñan y fabrican específicamente para:
En las normas británicas y europeas, los tornillos HSFG suelen corresponder a los grados 8.8 y 10.9 (según BS EN 14399), mientras que en las normas americanas corresponden a ASTM A325 y A490. Sin embargo, es crucial tener en cuenta que no todos los tornillos de estos grados se consideran automáticamente tornillos HSFG. La designación depende de su proceso de fabricación específico, el tratamiento superficial y la aplicación prevista.
Los pernos estándar, que pueden incluir los grados 4.6, 5.6, 8.8, 10.9 y 12.9 (como se especifica en BS 3692), están diseñados para diferentes condiciones de carga y no proporcionan necesariamente el mismo nivel de precarga o capacidad de agarre por fricción que los pernos HSFG.
En resumen, la distinción entre tornillos de alta resistencia (HSFG) y tornillos normales abarca:
Tabla 2 Designación de los grados de resistencia de los pernos y tornillos de acero
| Designación del grado de resistencia | 4.6 | 4.8 | 5.6 | 5.8 | 6.8 | 8.8 | 10.9 | 12.9 |
| Resistencia a la tracción Rm min.N/mm2 | 400 | 400 | 500 | 500 | 600 | 800 | 1000 | 1200 |
| Tensión de fluencia Re min.N/mm2 | 240 | 320 | 300 | 400 | 480 | – | – | – |
| Tensión en el límite fijo permanente R0.2 N/mm2 | – | – | – | – | – | 640 | 900 | 1080 |
De acuerdo con GB50017, calcule la resistencia a la tracción y al cizallamiento de un solo perno ordinario de clase B de grado 8.8 y de un perno de alta resistencia de grado 8.8.
Para responder a la pregunta de dónde reside la "resistencia" de los pernos de alta resistencia, es importante comprender primero las condiciones de trabajo de diseño y las leyes de la deformación elástico-plástica tanto para los pernos ordinarios como para los de alta resistencia.
Al estudiar el estado límite de fallo de diseño, podemos ver que, aunque los valores de diseño de la resistencia a la tracción y al cizallamiento pueden ser superiores para los pernos ordinarios del mismo grado, la verdadera fuerza de los pernos de alta resistencia reside en su capacidad para soportar cargas más extremas sin fallar.
Curvas de tensión-deformación de pernos ordinarios y pernos de alta resistencia en condiciones de trabajo
Estado límite en caso de fallo de diseño
Para un conexión por pernosCuando el perno se rompe, sufre una deformación plástica que supera el límite de diseño, lo que provoca el cizallamiento del perno. Durante este proceso, se produce un deslizamiento relativo entre las placas de conexión antes de que el perno comience a soportar el esfuerzo cortante. El resultado es una deformación elástico-plástica y la carga de la fuerza de cizallamiento.
Por el contrario, para una unión atornillada de alta resistencia, la fricción estática entre las superficies de fricción efectivas es el factor inicial que soporta la fuerza de cizallamiento.
A medida que aumenta la carga, la fuerza de fricción puede llegar a ser insuficiente para resistir la fuerza de cizallamiento, y se supera la fuerza de fricción estática. Esto da lugar a un desplazamiento relativo de las dos placas de acero, lo que se considera un fallo en las consideraciones de diseño.
Sin embargo, incluso cuando esto ocurre, el vástago del perno puede seguir utilizando su propia deformación elástico-plástica para soportar el cizallamiento cuando entra en contacto con la placa de conexión.
Mito 2: ¿La alta capacidad portante es un perno de alta resistencia?
Según los cálculos realizados para un solo tornillo, la resistencia a la tracción y al cizallamiento de los tornillos de alta resistencia es inferior a la de los tornillos normales. Sin embargo, la verdadera resistencia de los pernos de alta resistencia reside en sus propiedades de diseño de la unión.
Cuando la junta está en condiciones normales de trabajo, no se permite ningún deslizamiento relativo, lo que significa que la deformación elástico-plástica es mínima y la rigidez de la junta es alta. Esto se traduce en una elevada reserva de seguridad para la junta, aunque el número de pernos no se reduzca en comparación con un diseño que utilice pernos ordinarios.
Los pernos de alta resistencia son adecuados para su uso en vigas principales y otras posiciones que requieren una alta rigidez en los nodos, lo que se alinea con el principio básico de diseño sísmico de tener "nodos fuertes y miembros débiles."
Por lo tanto, la fuerza de los pernos de alta resistencia no se encuentra en el valor de diseño de su capacidad portante, sino más bien en la gran rigidez, el alto rendimiento de seguridad y la fuerte resistencia a los daños de sus uniones diseñadas.
Debido a sus diferentes principios de tensión de diseño, existen diferencias significativas en los métodos utilizados para la inspección de la construcción de pernos ordinarios y pernos de alta resistencia.
Requisitos de inspección para pernos ordinarios y pernos de alta resistencia
| Perno | Común 8,8 | Alta resistencia 8,8 | ||||||
| Estándar | BS3692 | ISO898 | Valor experimental de un lote | BS4395-1 | ISO891 | Valor experimental de un lote | ||
| Estiramientos | Límite elástico | MPa | 640 | 885 | 635 | 817 | ||
| Resistencia a la tracción | MPa | 830 | 959 | 827 | 944 | |||
| Extensibilidad | % | 12 | 29 | 12 | 24 | |||
| Porcentaje de reducción de la superficie | 52 | 53 | 52 | 58 | ||||
| AKV | J | - | - | 30J | 33J | |||
| Análisis químicos | R | R | R | R | ||||
| Prueba de dureza | HRC | 23-34 | 29.8 | 25-34 | 28.9 | |||
| HV10 | 256-335 | 294 | 260-330 | - | ||||
| Fuerza de carga | kN | 212 | - | 207 | - | |||
Los requisitos de rendimiento mecánico de los pernos ordinarios del mismo grado son ligeramente superiores a los de los pernos de alta resistencia.
Sin embargo, los pernos de alta resistencia tienen un mayor requisito de aceptación de energía de impacto en comparación con los pernos ordinarios.
El marcado de los tornillos ordinarios y los de alta resistencia es un método básico para identificar in situ los tornillos del mismo grado. También es necesario distinguir entre tornillos de alta resistencia según las normas británicas y americanas, ya que su cálculo de los valores de par puede diferir.
En términos de coste, los pernos ordinarios son aproximadamente 70% menos caros que los pernos de alta resistencia. Dada la comparación de sus requisitos de aceptación, puede concluirse que el coste superior de los pernos de alta resistencia consiste en garantizar sus prestaciones de energía de impacto (tenacidad).
Independientemente de las complejas cargas que soportan, la forma más común de fallo de los pernos de alta resistencia es el fallo por fatiga.
Ya en 1980, los expertos estudiaron 200 casos de fallo de uniones atornilladas y descubrieron que más de 50% se debían a fallos por fatiga.
Por lo tanto, es crucial mejorar la resistencia a la fatiga de los pernos de alta resistencia.
En fractura por fatiga de pernos tiene las siguientes características:
En el caso de los tornillos, las principales formas de fallo son la deformación plástica de la parte roscada y la fractura por fatiga del tornillo. De ellas, la mayoría de los daños se producen de la siguiente manera:
Controlar estrictamente el tamaño final de los tornillos para eliminar la concentración de tensiones:
a. Utilizar filetes de transición grandes
b. Corte de la ranura de descarga
c. Corte por debajo del final del hilo
d. La optimización del ángulo de inclinación de la cabeza del tornillo también puede reducir eficazmente la concentración de tensiones.
e. Utilizar hilo reforzado
Las principales diferencias entre una rosca reforzada y una rosca ordinaria son el diámetro menor (d1) de la rosca exterior y el radio de filete de transición de la raíz (R).
Las características clave de una rosca reforzada incluyen un diámetro menor mayor (d1) en comparación con una rosca ordinaria, un radio de filete de transición de raíz mayor (R) y una reducción de la concentración de tensiones en el perno.
Existen requisitos específicos para el radio del filete de transición de la raíz (R) en una rosca reforzada, con R+ = 0,18042P y rmin = 0,15011P, donde P es el paso. En cambio, no existen tales requisitos para una rosca ordinaria, que incluso puede tener una sección recta.
Mejorar el control del tratamiento térmico y tratamiento superficial durante la fabricación de los tornillos pueden mejorar eficazmente su resistencia a la fatiga.
a. Tratamiento térmico
Los pernos se someten a un tratamiento térmico seguido de laminación para producir una tensión de compresión residual significativa, que ralentiza la formación y el crecimiento de grietas y mejora su resistencia a la fatiga. Es importante prevenir descarburización durante el tratamiento térmico y comparar la resistencia a la fatiga de los pernos con y sin descarburación superficial.
La presencia de descarburación conduce a la oxidación del carbono en la capa, lo que da lugar a una reducción de la cementita en la estructura metalográfica y a una menor resistencia y dureza en comparación con las estructuras normales. Normalmente, la resistencia a la fatiga de los pernos disminuye en 19,8% en condiciones de descarburación superficial.
b. Fosfatado
El tratamiento de fosfatado de las superficies de los pernos sirve para evitar la oxidación y garantizar una fricción estable durante el montaje. Además, también puede disminuir el desgaste.
En el proceso de laminado de roscas, la reducción de la fricción entre la rueda de laminado de roscas y el rosca puede influir positivamente en la distribución de las tensiones en la rosca del perno después del laminado y reducir la rugosidad de la superficie de la rosca.
La tensión en una unión atornillada ordinaria es soportada principalmente por las tres primeras roscas sometidas a tensión. Cuando la precarga inicial es considerable, se produce una deformación plástica local en las raíces de algunas roscas, lo que da lugar a tensión residual en esas raíces. Esta tensión residual de compresión aumenta la resistencia a la fatiga de los hilos.
Además, la deformación plástica de las roscas mejora la distribución de las tensiones y reduce la presión de contacto, mejorando también la resistencia a la fatiga de las roscas. Cuanto mayor sea la precarga, mejor resistirá la unión atornillada a la separación y relajación de la precarga. El resultado es una mayor resistencia efectiva a la fatiga de la rosca. conexión atornillada.
Por lo tanto, el aumento de la fuerza de preapriete en una unión atornillada mejora su capacidad para resistir el fallo por fatiga bajo cargas externas cíclicas y reduce el riesgo de fallo por fatiga debido a vibraciones y fuerzas de impacto o sobrecarga limitada.
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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