¿Se ha preguntado alguna vez qué es lo que mantiene unida la maquinaria del mundo? Los tornillos son los campeones anónimos de la ingeniería. Este artículo desvela el fascinante mundo de los tornillos, desde sus tipos y especificaciones hasta los principios de sus uniones. Prepárate para aprender cómo estos diminutos componentes desempeñan un papel crucial para mantener intactos desde puentes hasta bicicletas.
Definición de perno:
Un tornillo es un elemento de fijación mecánico fundamental que consta de dos componentes principales: una cabeza y un eje roscado (cuerpo cilíndrico con estrías helicoidales externas). Este versátil elemento de fijación está diseñado para unir de forma segura dos o más componentes, a menudo junto con una tuerca.
Clasificación de los pernos:
Clasificaciones adicionales:
Especificaciones de los pernos: (GB/T1237)
Las especificaciones de la rosca de los tornillos determinan las especificaciones de la llave utilizada (GB/T4388)
| Diámetro de la rosca d/mm | Dimensión opuesta s/mm | Tamaño de la llave S/mm | Diámetro de la rosca d/mm | Dimensión opuesta s/mm | Tamaño de la llave S/mm |
| M5 | 8 | 8 | M18 | 27 | 27 |
| M6 | 10 | 10 | M20 | 30 | 30 |
| M8 | 13 | 13/14 | M22 | 32 | 32 |
| M10 | 17 | 16/17 | M24 | 36 | 36 |
| M12 | 19 | 18/19 | M27 | 41 | 41 |
| M14 | 22 | 22 | M30 | 46 | 46 |
| M16 | 24 | 24 | M36 | 55 | 55 |
Grados de rendimiento de los pernos (GB/T3098.1-2010)
La designación del grado de rendimiento de un tornillo está marcada en su cabeza, normalmente representada por dos números X.Y, que proporcionan información crucial sobre las propiedades mecánicas del tornillo.
X * 100 indica la resistencia nominal a la tracción del material del tornillo en MPa.
X * 100 * (Y/10) representa el límite elástico del tornillo en MPa.
La norma incluye más de 10 grados de rendimiento, como 3,6, 4,6, 4,8, 5,6, 6,8, 8,8, 9,8, 10,9 y 12,9. Cada grado corresponde a características de resistencia y aplicaciones específicas.
Los tornillos de alta resistencia, definidos como aquellos con un grado de rendimiento de 8,8 o superior, se fabrican a partir de acero aleado con bajo contenido en carbono o acero con contenido medio en carbono. Estos pernos se someten a procesos de tratamiento térmico, incluidos el temple y el revenido, para conseguir unas propiedades mecánicas superiores.
Los pernos comunes, también denominados pernos ordinarios, se clasifican en dos tipos principales:
La selección del grado del tornillo depende de factores como los requisitos de carga, las condiciones ambientales y los factores de seguridad de la aplicación específica.
Las uniones atornilladas son un método fundamental de unión de componentes en ingeniería mecánica y fabricación. Este tipo de fijación utiliza pernos y tuercas para conectar de forma segura dos o más piezas que tienen orificios pasantes alineados. Una de las principales ventajas de las uniones atornilladas es su capacidad de desmontaje, lo que las hace ideales para aplicaciones que requieren un mantenimiento periódico o la sustitución de piezas.
La clasificación de las uniones atornilladas se basa principalmente en el ajuste entre el tornillo y el orificio pasante:
Conexión de perno común: Este tipo presenta un ajuste de holgura entre el eje del perno y el orificio después del montaje. Sus ventajas incluyen:
Unión atornillada con ajuste de interferencia (tolerancia ajustada): También conocida como unión atornillada con agujero articulado, este tipo se caracteriza por una holgura nula o negativa entre el tornillo y el agujero tras el montaje. Entre sus principales características se incluyen:
La elección entre estos dos tipos depende de factores como las condiciones de carga, la precisión requerida, la frecuencia de montaje/desmontaje y consideraciones de coste. Los ingenieros deben evaluar detenidamente estos factores para seleccionar el tipo de unión atornillada más adecuado para su aplicación específica.
Principio de funcionamiento de la unión atornillada
Las uniones atornilladas se basan en los principios fundamentales de la mecánica, en particular la ley de Hooke y la fricción. La eficacia de estas uniones se debe a la interacción precisa entre el tornillo, la tuerca y los materiales unidos.
Ley de Hooke: Este principio constituye la base del comportamiento de los tornillos bajo carga. Establece que dentro del límite elástico de un material, la tensión es directamente proporcional a la deformación. En las uniones atornilladas, esto se traduce en:
σ = E * ε
Dónde:
σ = tensión
E = módulo de Young (constante específica del material)
ε = deformación (deformación por unidad de longitud)
En el caso de los pernos, esta relación rige su deformación elástica bajo carga de tracción, lo que les permite actuar como elementos elásticos en la conexión. El tornillo se alarga ligeramente cuando se aprieta, creando una fuerza de sujeción que mantiene unidas las partes unidas.
Precarga y fuerza de apriete: Cuando un tornillo se aprieta, genera una precarga (fuerza de tracción inicial) dentro de su eje. Esta precarga crea una fuerza de sujeción igual y opuesta entre las piezas unidas. La magnitud de esta fuerza es crítica para la integridad de la conexión y suele ser del 75-90% de la resistencia de prueba del tornillo para garantizar un rendimiento óptimo sin deformación permanente.
Fricción: Dos tipos de fricción desempeñan papeles cruciales en las uniones atornilladas:
Estas fuerzas de fricción ayudan a mantener la precarga y evitan el autoaflojamiento bajo cargas dinámicas.
Distribución de la carga: En una unión atornillada correctamente diseñada, las cargas externas son soportadas principalmente por la fricción entre las partes sujetas, no por el cizallamiento en el eje del tornillo. Este principio de distribución de la carga mejora la fuerza y la resistencia a la fatiga de la unión.
Interacción elástica: El tornillo y las piezas sujetas forman un sistema elástico. Bajo cargas de tracción externas, el perno se alarga aún más mientras que las piezas sujetas se descomprimen ligeramente. Esta interacción elástica ayuda a mantener la integridad de la conexión en condiciones de carga variables.
Análisis a cortante y tracción de uniones atornilladas (I)
Unión atornillada a cortante: Transmite la potencia a través de la compresión mutua del vástago del perno y la pared del orificio.
Unión atornillada por tracción: Se basa principalmente en la tensión previa del perno tras el apriete.
Cuando el componente conectado tiene una gran rigidez y los pernos están dispuestos simétricamente, cada perno soportará la tensión media en la conexión.
Cuando el componente conectado tiene una rigidez pequeña, la brida de conexión se doblará y deformará, generando una fuerza de palanca.
Análisis a cortante y tracción de uniones atornilladas (II)
Además del esfuerzo cortante y la tracción, las uniones atornilladas también pueden estar sometidas a: vibraciones, temperatura, esfuerzos laterales (viento, flujo, presión, etc.), cambios en las cargas y otras fuerzas.
Existen tres métodos de apriete de pernos:
Método de apriete por par: El principio es que existe una cierta relación entre el tamaño del par de apriete y la fuerza axial de preapriete. Este método de apriete es sencillo e intuitivo de manejar, y se utiliza ampliamente en la actualidad.
Método de apriete en ángulo: El ángulo de rotación es proporcional a la suma de la extensión del perno y la holgura del componente apretado. Por lo tanto, se puede adoptar el método de girar el perno hasta el ángulo especificado para conseguir la fuerza de apriete deseada.
Método de apriete del límite elástico: El objetivo teórico es apretar el tornillo justo por encima del límite elástico.
Método de apriete
Aplicar una fuerza de preapriete al elemento de fijación mediante la rotación de la parte de tuerca del elemento de fijación.
El par aplicado cumple la regla 5-4-1.
Lubricación sólo al final de la parte de apriete del tornillo/perno.
| Fricción de la cabeza del tornillo | Hilo de fricción | Precarga | |
| Situación general | 50% | 40% | 10% |
| Lubricación de la cabeza del tornillo | 45% | 40% | 15% |
| Lubricación de roscas | 50% | 30% | 20% |
| Hilo defectuoso | 50% | 45% | 5% |
Principio de secuencia de apriete de tornillos
Apriete en secuencia desde el centro, luego los dos lados, después en diagonal y, por último, en el sentido de las agujas del reloj, por etapas.
Generalmente se divide en dos etapas de apriete: en la primera etapa, apretar con un par de apriete de unos 50%, y en la segunda etapa, apretar con un par de apriete de 100%.
El extremo del tornillo debe sobresalir de 1 a 3 pasos de la tuerca.
1. Antes de preparar el conjunto de pernos, es necesario:
Compruebe si el tornillo y la tuerca están limpios y sin óxido, y libres de rebabas y golpes.
Compruebe el plano de contacto entre la pieza conectada y el perno y la tuerca, y verifique que es perpendicular al orificio del perno.
Compruebe también el apriete del tornillo y la tuerca.
2. Al montar la tuerca y la arandela plana, la tuerca y la arandela deben montarse con el reverso hacia la pieza conectada.
El lado de la tuerca marcado con caracteres es el frontal, y el lado liso de la arandela es el frontal.
3. Directrices de funcionamiento de la fuerza (sólo como referencia):
| Especificación del tornillo d/mm | Par aplicado M/N.m | Aspectos operativos esenciales | Especificación del tornillo d/mm | Par aplicado M/N.m | Aspectos operativos esenciales | |
| M6 | 3.5 | Sólo fuerza en la muñeca | M16 | 71 | Aumentar la fuerza general | |
| M8 | 8.3 | Añade fuerza en la muñeca, fuerza en el codo | M20 | 137 | peso corporal total | |
| M10 | 16.4 | Aumentar la fuerza general | M24 | 235 | Añadir el peso de todo el cuerpo | |
| M12 | 28.4 | Añadir fuerza de medio cuerpo | / | / | / | |
4. La clave para evitar que los tornillos se aflojen en las uniones atornilladas reside en impedir la rotación relativa de las roscas de los tornillos. Existen tres métodos comunes de aflojamiento del tornillo:
Antiaflojamiento por fricción
Antiaflojamiento mecánico
Antiaflojamiento permanente
5. Problemas comunes en la extracción de pernos
Al aflojar tornillos de brida en tuberías y válvulas:
Afloje primero la mitad de los pernos alejándolos del cuerpo para permitir que cualquier resto de aceite, vapor o agua se descargue por el lado opuesto para evitar ser rociado o quemado.
En el caso de tornillos con pegamento que no se pueden aflojar:
La mayor parte del pegamento es una solución orgánica y se puede remojar en aceite de plátano o alcohol durante media hora, o cubrir el tornillo con algodón empapado en alcohol. Cuanto más tiempo pase, más se disolverá el pegamento.
En el caso de tornillos oxidados que no se pueden aflojar:
Pulveriza WD-40 y espera media hora. El spray penetrará en el perno para disolver el óxido.
Otros métodos: vibración, lubricación, tostado, perforación
En el caso de tornillos deslizantes que no se pueden aflojar:
Las soluciones corrosivas, como el ácido diluido o el ácido clorhídrico, pueden corroer lentamente el perno.
Utilice ácido para el metal y álcali para el plástico.
6. Errores comunes en el uso de pernos
Grueso en lugar de fino:
Algunas juntas importantes, como los ejes de transmisión y los volantes, utilizan tornillos de rosca fina.
Los tornillos de rosca fina tienen un paso y un ángulo menores, y presentan ventajas como una gran resistencia y un buen rendimiento de autobloqueo. Tienen una gran capacidad para soportar impactos, vibraciones y cargas de intercambio.
Si se utilizan tornillos de rosca gruesa en lugar de tornillos de rosca fina, son propensos a aflojarse o desprenderse y provocar accidentes.
Ajuste incorrecto:
Los tornillos que soportan cargas transversales y fuerzas de cizallamiento (como los tornillos del eje de transmisión y los tornillos del volante) tienen ajustes transitorios con los orificios de los tornillos. El conjunto debe ser sólido y fiable, y capaz de soportar fuerzas laterales.
Si no se comprueba durante el montaje, pueden quedar grandes holguras entre el perno y el orificio del perno, lo que puede provocar que el perno se afloje o que se produzcan accidentes por corte.
Nueces más gruesas:
Punto de vista incorrecto: Las tuercas más gruesas pueden aumentar el número de vueltas de trabajo de la rosca y mejorar la fiabilidad de las uniones.
De hecho, cuanto más gruesa es la tuerca, más desigual es la distribución de la carga entre cada vuelta de la rosca, lo que facilita el aflojamiento de la junta.
Una tuerca con varias arandelas:
A veces los tornillos montados son demasiado largos, por lo que algunas personas ponen muchos arandelas elásticas en un perno.
Durante el proceso de apriete, el arandelas elásticas están sometidos a fuerzas desiguales, y algunos pueden romperse, reduciendo la fuerza de preapriete del tornillo.
O generar cargas excéntricas, reduciendo la fiabilidad de la unión atornillada.
La lavadora es demasiado grande: (GB/T97.1-2002 Tabla 1, M5 a M36: el diámetro interior de la arandela es superior al diámetro de la rosca entre 0,3 mm y 1 mm).
Práctica incorrecta: Debido a la falta de arandelas adecuadas, se utiliza como sustituto una arandela con un diámetro interior mayor.
El resultado es una disminución del contacto entre la parte inferior de la cabeza del perno y la arandela, lo que provoca una disminución de la capacidad de soporte de la presión o de la fuerza de bloqueo de la arandela. Bajo la influencia de vibraciones y cargas de impacto, el perno es propenso a aflojarse.
El par no es acorde:
Punto de vista incorrecto: La creencia de que los tornillos deben estar "apretados pero no flojos", lo que lleva a aumentar intencionadamente el par de apriete.
Consecuencias: Esto provoca el deslizamiento de los tornillos o incluso su rotura.
Práctica incorrecta: En el caso de tornillos importantes que deben apretarse con par de apriete, se tiende a utilizar una llave de mano para ahorrar tiempo.
Consecuencias: Los tornillos se aflojan debido a un par de apriete insuficiente, lo que provoca un fallo.
Cierre inadecuado: Los pernos importantes deben asegurarse con dispositivos antiaflojamiento después del montaje.
Cuando se utiliza el bloqueo con pasador hendido, un error común es utilizar un pasador hendido demasiado fino o medio pasador hendido.
Al utilizar el bloqueo por arandela elástica, un error habitual es que la abertura de la arandela sea demasiado pequeña y pierda su elasticidad.
Al utilizar una arandela de seguridad, un error común es bloquear la arandela en el borde de la tuerca.
Cuando se utilizan tuercas dobles, un error común es utilizar una tuerca fina en la parte exterior y no apretarla.
Falsa fortificación:
Las roscas de los tornillos, tuercas o agujeros tienen manchas de óxido, cascarilla, virutas de hierropartículas de arena, rebabas, etc.
Antes del montaje, deben limpiarse. Durante el apriete de los tornillos, debido al efecto de bloqueo de las impurezas, el valor del par de apriete superficial alcanza el requisito, pero en realidad, las piezas de conexión no están realmente sujetas.
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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