¿Cómo deben ser apretados los tornillos? Autor: Richard B. Wright (Director de la compañía) Compañía: Herramientas Wright, One Wright Drive, Barberton, OH 44203 USA www.wrighttool.com Un tornillo debe ser apretado lo suficiente para hacer su trabajo. Pero, ¿cuál es el apriete justo? ¿Qué sucedería si el tornillo se quebrara o la tuerca se saliera? pero la tensión desarrollada del apriete puede ser la única que mantiene las uniones juntas. La cantidad exacta del torque de apriete requerido depende de la longitud del tornillo y otros factores. Pero una cantidad razonable de torque de apriete adicional no hace daño. La figura 2 muestra la carga de tensión, la cual tiende a estirar el tornillo. Aquí es muy importante el torque de apriete. Las uniones automotrices y aeroespaciales son usualmente de tensión o de uniones mixtas. Si el torque de apriete es especificado, este se debe de seguir. Es muy importante que la cantidad adecuada de tensión sea aplicada - ni demasiada ni muy poca - por diversas razones las cuales se explicaran después en este artículo. Todas las uniones sirven para un propósito, o nadie ha comprado los tornillos y se ha tomado el tiempo para instalarlos. Considera el costo de falla - desde un daño menor a la propiedad hasta una pérdida mayor ya sea de vida humana o de equipo. Si la rigidez es importante, es de igual importancia saber cómo apretarlo y asegurarse que el ajuste de la llave de torque sea el correcto. Por algunas razones, que serán explicadas posteriormente, hay un mínimo de apriete para cualquier unión. Por debajo de este punto, la unión puede desprenderse en servicio ya sea por aflojamiento durante el trabajo o por que se quebró el tornillo. Hay un valor superior de torque a partir del cual el tornillo se puede romper cuando se aprieta. Es más probable, que este valor superior de torque sea alcanzado después de que el tornillo ha estado en servicio por un largo tiempo. La eliminación del torque no puede ser utilizada como una guía porque es engañosamente diferente del torque de instalación. Algunos tornillos no requieren de mucho cuidado debido a la forma en que se construyeron y diseñaron. Las uniones que utilizan tornillos suaves tales como tornillos de Grado 2, cederán antes de romperse. Por otro lado, hay muchos más tornillos hechos de aleaciones de alta resistencia, los cuales no cederán mucho antes de la fallar súbitamente. Estos tornillos no se auto-compensaran al ser mal apretados. Figura 2: Unión a tensión. Un tercer tipo de carga es una combinación de tensión y corte. Estos tornillos deben ser apretados como las uniones de tensión. ¿Qué tan apretado debe estar un tornillo? La cantidad de tensión requerida para un tornillo depende del tamaño y grado del tornillo y de la naturaleza de la carga. También, un factor de seguridad que debe ser incluido para prever condiciones inesperadas. La respuesta a que tanta tensión o torque debe ser aplicado al tornillo en la instalación se llama "pre-tensión". Esta no es una pregunta simple. La mejor persona para contestar esto es el ingeniero que diseñó la unión. Algunas uniones han sido diseñadas cuidadosamente para ahorrar peso, como las utilizadas en aplicaciones aeroespaciales o aquellas diseñadas específicamente para ahorrar costos en producción en serie. Las uniones que no han sido diseñadas para ahorrar peso son usualmente más fuertes de lo que necesitan ser, lo cual da una latitud mecánica considerable. Los tornillos deben ser apretados con torque, esto debido a que la tensión del tornillo es muy difícil de medir. Pero, la relación entre la tensión y el torque depende de muchos factores como la lubricación, el acabado, la exactitud de la forma de la rosca, etc. Estos factores agregan una fuente de variación adicional. Entendiendo la carga El acero tiene una propiedad conocida como fatiga (observar Figura 3). Si el acero tiene un rango de resistencia de 200,000 psi (1380 MPa) para una sola aplicación de carga, resistirá esta carga indefinidamente a temperatura ambiente. Si esta carga varia, podrá fallar eventualmente si el pico de carga es tan bajo como 100,000 psi (690 MPa). Para entender cómo trabajan los tornillos, es necesario entender los dos tipos de carga. La figura 1 ilustra una unión a corte. Las fuerzas que actúan sobre el tornillo son perpendiculares a este. Estas fuerzas tienden a cortar el tornillo más que estirarlo. Figura 1: Unión a Corte La mayoría de los tornillos estructurales son de corte. Por ejemplo, las uniones entre vigas horizontales y columnas verticales son uniones de corte. El torque de apriete no es esencial para lo operación del tornillo, Figura 3: Curva de fatiga típica para un acero Consultores en conformado y Procesos de Manufactura S.A de C.V. Félix Gonzalez 1319 Ancón del Huajuco, Monterrey, NL 64820 Tel: (81) 14030103, (81) 8989-7902 , www.ConsultoresCPM.com.mx Tornillos más resistentes Esto podrá soportar aproximadamente un millón de ciclos para que ocurra la falla. O pueden ser solo un poco de ciclos dependiendo en que tan cercano este el esfuerzo máximo de la resistencia ultima o que tan amplio sea el porcentaje de variación. Si el acero falla de en un solo ciclo de sobrecarga, la falla del tornillo ocurrirá la primera vez que se le aplique esa carga o incluso durante el apriete. Si esto es un resultado de fatiga, la falla puede ocurrir después de pocos ciclos o puede no ocurrir hasta cientos o miles de ciclos. Uno no debe de apartarse de una a unión atornillada y decir, "Esto está bien y esta apretado, ¡nada puede suceder después! ¡No se rompió!, ¡Entonces todo debe estar bien!". Inclusive si no se ha quebrado aún, puede que no todo este bien. Porque un tornillo se puede romper al apretarse insuficientemente Las secciones anteriores explicaron los peligros del rompimiento de un tornillo por apretarlos en exceso. La falla puede ser inmediata o retardada, o también puede ocurrir después de un largo tiempo. Esto puede tentar a alguien a apretarlos menos de lo especificado y así asegurarse que la falla no suceda. Recuerda que uno de los propósitos de apretar un tornillo es proveer suficiente carga de sujeción para que el tornillo y la tuerca no trabajen flojos a causa de la vibración. En eso hay también un gran peligro. Los tornillos normalmente mantienen una unión junta por lo cual existe una presión de sujeción positiva bajo todas las condiciones y fluctuaciones de carga. Casi todas las uniones tienen bridas u otras áreas de contacto entre las piezas en contacto. Inicialmente, lleva la misma carga como el tornillo precargado, pero donde el tornillo esta en tensión, la brida está en compresión. Si hay una precarga de 1000 psi (7 MPa) en el tornillo, en la brida hay una fuerza de sujeción de 1000 psi (7 MPa). Si la carga de tensión dinámica no excede 1000 psi (7 MPa), entonces todo trabajará bien. Si los tornillos son remplazados con tornillos más resistentes del mismo tamaño o más grandes, deben ser apretados al menos al torque que fue especificado para la unión. Esto resuelve un simple problema de sobrecarga, pero no previene fallas si la unión se separa bajo condiciones de trabajo. Es mejor incrementar el torque en proporción al cambio en la resistencia a la tensión. Por ejemplo, si se va de un tornillo de Grado 2 a Grado 5 permitirá un incremento del 60% en precarga. Si es de Grado 5 a Grado 8 permitirá un incremento del 25% en precarga. Tornillos múltiples En el esfuerzo de asegurarse que las uniones atornilladas estén apretadas, pero no muy apretadas, uno no debe pasar por alto la interacción entre los tornillos. El ejemplo más extremo es una brida del ensamble de tubería atornilladas con un empaque o sello. El apretar cualquier tornillo afecta la tensión de todos los otros tornillos. La secuencia al apretar determinará si habrá fugas en la unión. Es necesario seguir el patrón especifico de apriete entrecruzado, los pasos de torque y el torque al apretar. Resumen Está claro que un tornillo debe ser apretado a la carga correcta, ni más ni menos. Si es un tornillo critico, debe ser hecho con una herramienta de torque exacta y calibrada adecuadamente. Eso no significa que no hay margen de error. Los diseñadores siempre proveen un margen de seguridad, pero que debe ser usado solo como seguridad, no se acepta por descuido o por apretarlos sin exactitud. También está claro que si un tornillo es remplazado, siempre debe ser remplazado por un tornillo de igual o mayor grado. Los tornillos que están sujetos a cargas fluctuantes grandes son un riesgo de falla por fatiga y no deben ser reutilizados. Esto agrega al número de ciclos. Inclusive el acto de aflojar y re apretar un tornillo acorta su vida si es utilizado en una aplicación de alta fatiga. La razón por la cual la carga dinámica puede causar un daño mucho mas critico y potencial que la precarga, es porque esta es aplicada a la estructura en lugar de al tornillo. Es compartida por la estructura, y solo una pequeña parte de la carga dinámica es transferida hacia el tornillo. Pero si la estructura se separa, el tornillo puede tomar la cantidad total de la fluctuación. Conforme la fatiga severa se establezca, es probable que falle. Si los tronillos se rompen después de un periodo de servicio, puede ser a causa de un incremento en la carga o un resultado de fatiga. En ese caso, sería deseable utilizar tornillos más resistentes con un torque más alto y apropiado o agregar más tornillos a la unión. Una precaución de seguridad adicional es comprar tornillos solo de proveedores confiables. Deben ser evitados los tornillos mal etiquetados o por debajo del estándar ¿Es mejor muy flojo qué muy apretado? Perfil del Autor: La respuesta corta para la pregunta anterior es "no". Aunque, para una unión en tensión o una unión que tiene una combinación de tensión y corte, la respuesta es "tampoco". En algunos casos, muy flojo puede ser significantemente peor que muy apretado. Si la precarga no es suficiente y la unión se separa bajo cargas de trabajo, el tornillo se expone más a fluctuaciones en la carga aplicada. Si la carga aplicada es cíclica, el tornillo es expuesto a fluctuaciones sustanciales en tensión, el cual puede causar falla por fatiga. Esto no hubiera ocurrido si la precarga hubiera sido lo suficiente para impedir que la unión se separe. Esto no significa que el tornillo debe ser apretado en exceso para evitar esta condición. El apretar en exceso puede también causar falla, pero esto tomara más tiempo para ocurrir. Si los tornillos son apretados adecuadamente y se rompen, el remedio conveniente es utilizar tornillos de alta resistencia, más grandes o mas tornillos con el torque de apriete apropiado para los nuevos tornillos. Richard B. Wrigth es el Director de la Compañía "Wrigth Tools", una empresa que produce más de 3600 herramientas para la industria, contratistas y tiendas de MRO. Tiene el título de Ingeniero Mecánico de "California Institute of Technology" y un título MBA de "University of Pennsulvania Wharton School". Como ingeniero con licencia, Wrigth tiene varias patentes en el campo de herramientas manuales e instrumentos eléctricos. Perfil de la Compañía La compañía "Wright Tools" es un fabricante líder de conectores de dados y llaves de calidad profesional. Los productos que se hacen en dicha compañía son: juegos de llaves maestras y de dados; sistemas de almacenamiento de herramientas; llaves; conectores de dados, ratchs y adjuntos; llaves y herramientas de torque; atornilladores y pericas; llaves hexagonales; tenazas, tijeras para hojalatero y tijeras; martillos, punzones, cinceles y barras; abrazaderas y prensas; tornillos para conectores de dados misceláneos y artículos para herramientas de llaves. Traducción: Ing. Daniela Aguirre Guerrero Revisión Técnica: Dr. Víctor Hiram Vazquez Lasso Mayores informes: [email protected] Consultores en conformado y Procesos de Manufactura S.A de C.V. Félix Gonzalez 1319 Ancón del Huajuco, Monterrey, NL 64820 Tel: (81) 14030103, (81) 8989-7902 , www.ConsultoresCPM.com.mx