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Ensamble

Procesos de atornillado para ensamble industrial: conceptos básicos en tornillos, uniones y dinámica. (Parte 1)

April 16, 2021
Procesos de atornillado para ensamble industrial: conceptos básicos en tornillos, uniones y dinámica. (Parte 1)

Parte 1 - El tornillo: Función, tipos y geometrías.

Introducción: 

El tornillo es uno de elementos mecánicos más antiguos que se conocen, es una combinación de un plano inclinado alrededor de un cilindro y con usos variados. Uno de los usos mecánicos modernos más comunes del tornillo es la de sujetar 2 o más partes entre sí, al combinarse 2 planos inclinados, uno externo y otro interno sobre una misma geometría cilíndrica; a estos planos inclinados se les conoce como “cuerdas”.

Cuando el plano inclinado se encuentra en el exterior de la superficie del cilindro se le llama “cuerda”, mientras que en el interior se le llama “rosca” (por la acción de “roscado” de la terraja o machuelo, herramientas diseñadas para crear cuerdas externas e internas), aunque estos términos pueden ser intercambiables. [1] La forma menos confusa de distinguirlos es como “cuerda macho” para las exteriores y “cuerda hembra” para las interiores.

Todos hemos instalado o armado algo con tornillos y éste es el uso más común de esta máquina simple. Usualmente un tornillo de este tipo está formado básicamente de 3 partes: cabeza, cuello y rosca. Una ventaja del uso del tornillo a comparación de otros métodos de ensamble (como el remachado, la soldadura o el pegamento) es que permite que las partes (usualmente) puedan ser desmontadas y vueltas a armar. Antes de continuar, existen varios nombres para referirse a este mecanismo de ensamble. Los más comunes, además de ‘tornillo’ son ‘perno’ y ‘birlo’. Para efectos de claridad, nos referiremos en principio a todos estos elementos como ‘tornillo’, pero mencionaremos rápidamente las diferencias entre estos términos.

Atornilladores de torque controlado / Contadores de Tornillos / Sistemas Automatizados de Apriete / Analizadores de Torque

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Diferencia entre ‘tornillos’, ‘pernos’, y ‘birlos’.

No hay una definición universal de las diferencias entre estos términos, principalmente porque en cada traducción tienden a usarse de manera intercambiable, pero se puede generalizar de la siguiente manera de acuerdo con el estándar B18.2.1 de la ASME y referencias clásicas de ingeniería [5]:

Los pernos (trad. ‘bolt’) son sujetadores (trad. ‘fastener’) con cuerda externa diseñado para la inserción a través de orificios en piezas ensambladas, y normalmente está diseñado para apretarse o soltarse apretando una tuerca. Los tornillos (trad. ‘screw’) son sujetadores de cuerda externa que puede insertarse en los orificios de las piezas ensambladas, acoplarse con una cuerda interna preformada o formar su propia cuerda, y apretarse o soltarse apretando la cabeza. Un sujetador con cuerda externa que no se puede girar durante el ensamblaje y que se puede apretar o soltar solo apretando una tuerca es un perno. […] Un sujetador con cuerda externa que tiene forma de rosca que prohíbe el ensamblaje con una tuerca que tiene una cuerda recta de longitud de paso múltiple es un tornillo. […]. [2, 3, 4]

Finalmente, los birlos (trad. ‘stud’) se puede considerar como un perno que no tiene cabeza o que está fijo, como los que se usan para sujetar llantas en automotores o los sistemas de anclaje químicos o mecánicos. [5]

Los tornillos diseñados para huecos previamente roscados en piezas que no giran individualmente también pueden considerar pernos, puesto que pueden utilizarse indistintamente siempre que compartan la misma geometría de cuerda y diámetro. Algunos pernos pueden intercambiarse como “tornillos de máquina” o “tornillos para maquinaria”.

De nuevo, estas definiciones tienden a ser flexibles según la traducción o las convenciones de uso, pero podemos resumir que todos los pernos y birlos son tornillos, pero solo algunos tornillos son pernos o birlos; si está diseñado para roscarse en un a cuerda existente (como una tuerca), se le puede llamar perno o birlo, si no, es solo un tornillo.

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Tipos de tornillo.

Los tornillos se pueden clasificar según sus funciones, y estas funciones incluyen una mezcla de varios elementos como: geometría de la rosca y paso de la cuerda (profundidad e inclinación del plano), forma del cabezal, material de fabricación. La mezcla de estas descripciones dictará las propiedades del tornillo que incluyen: capacidad de sujeción para mantener los componentes fijos, capacidad de velocidad de introducción (que tan rápido lo podemos girar para instalarlo), capacidad de deformación del material en que se introduce, tolerancia al torque (que tanto se deformará ante el par de fuerza o torque).

A continuación mencionaremos algunos tipos de tornillos que encontramos en el mercado de manera muy general según la combinación de: 1.- su cuerda y uso, y 2.- la geometría de su cabeza, 3.- dibujo o forma para atornillado, mencionando como se relacionan estas características y ejemplificando algunos de ellos. No incluiremos los materiales y composición química para mantener el tema lo menos complicado posible, más tengan en cuenta que esto también es importante al seleccionar un tornillo en una aplicación. Tomen esta clasificación como una generalización simple y rápida, pues seguramente encontrarán varias aplicaciones que no necesariamente cumplan con esta tabla.

1.- Respecto a su cuerda y uso:

Métricos:

Generalmente utilizados para sujetar partes o capas separadas y pueden ser pasados con una tuerca o roscados en un agujero previamente machuelado. Las geometrías de las cuerdas y diámetros están definidos en estándares internacionales para que una misma medida sea intercambiable con cualquier otro tornillo de la misma descripción independientemente del fabricante. Los 2 estándares de medidas más populares son la métrica (en milímetros) y la estandar o imperial (en fracciones de puldagas), siento esta última utilizada en paises de habla inglesa o de mucha influencia técnica por los mismos. Tienen una gran variedad de tamaños, desde milímetros hasta 1 metro de diámetro y se encuentran en todo tipo de industria y productos.

Nombres comunes: tornillos para maquina, sistemas de anclaje mecánico, tornillos y tuercas de seguridad, de ajuste, de paso, etc.

Aterrajadores (self-tapping):

Tornillos métricos (milímetros o estandar) con muescas que permiten crear la cuerda interna (rosca) al tiempo que son introducidos en el material, eliminando la viruta al tiempo que giran. Pueden estar diseñados para removerse en un proceso posterior o quedarse con el apriete final (lobulados).

Autoroscantes y/o autotaladrantes (self-threading, self-drilling):

Tornillos diseñados para formar un roscado por deformación de material cada vez que introducen, por lo que no requieren un roscado previo, pues tienen cuerdas más grandes que terminan en puntas que permiten oradar el material donde roscan. Este tipo de tornillos se utilizan en materiales suaves y/o flexibles como madera, plástico, goma y otros materiales ligeros. Se usa donde la sujeción se realiza por compresión perpendicular del material al eje de apriete (giro) del tornillo. También se utilizan para el ensamble de metales que tienen cierto grado de maleabilidad (como el aluminio, latón, cobre o bronze) o láminas de metales más duros (como hierro o acero) donde un poco de deformación es suficiente para lograr el agarre. Algunos pueden venir equipados con puntas en forma de broca que les permite presindir de una operación de taladrado previa (autotaladrantes).

 


2.- Respecto a la geometría de su cabeza:

- Entre las geometrías más comunes de las cabezas de los tornillos comerciales se encuentran:

Geométrica regular: (hexagonal, cuadrada, triangular)

Muy comun en tornillos métricos de diámetros medianos o grandes para construcción o maquinaria pues puede aportar mucha fuerza de torque y son flexibles en la forma en que se pueden instalar. Se aprieta con juegos de dados, llaves de tuercas y/o matracas (ratchet).

Redondas, alomadas o “de hongo”:

Cabezas de forma convexa o convexa aplanada, usadas mucho en ensamble de productos domésticos por facil fabricación y estética agradable, además que evitan que otros elementos se atoren en ellas. se presentan en diametros pequeños a medianos.

Avellanadas (tapered):

Cabeza con ángulos inferiores usadas cuando se quiere evitar que el tornillo sobresalga del ensamble y proporciona mayor superficie de contacto. Usualmente se presentan en diametros pequeños a medianos en ensamble de electrónica.

Cilíndrica:

Tienen cabezas con forma “de botón” que puede estar lisas o moleteadas y son muy comunes en el esamble de maquinaria porque permiten instalarse facilmente con la mano antes del apriete final y se presentan en diametros pequeños a medianos.

 


3.- Respecto al dibujo (ranurado) o forma para el atornillado:

Existe una gran variedad de formas de ranurado y formas para el atornillado, pero solo mencionaremos las más comunes:

Plana: 

La más común y probablemente antigua de todas, es un simple ranurado diametral a través del centro del cabezal. Usada para madera, gafas, electrónica o plásticos, implica una calidad modesta en la fabricación del tornillo, y aunque barata, por su dificultades de apriete no se utiliza en producción en masa (el atornillador se sale a menudo pudiendo dañar la pieza o el tornillo), pero a su vez es facil de usar. Se tiene una versión de torsión en una sola dirección y es común encontrarla combinada con otros ranurados.

Tipos "de cruz":

Existen varios estándares de ranurados cruciformes de los cuales el más común es el Phillips. Son los diseños ‘de facto’ para la manufactura en masa pues facilitan el acomplamiento entre el tornillo y el atornillados sin preocuparse mucho por que el atornillador se salga de la ranura o porque esté bien alineado, y bajo condiciones adecuadas impide el exceso de fuerza en el apriete. Otra gran ventaja es que se puede combinar con el ranurado plano. Otros estándares de cruz comunes, aunque menos populares son el Pozidrive o el Mortorq direccional.

Tipo TORX:  

Tambien referico coloquialmente como “de estrella”, el diseño hexalobular de TORX le permite mayor empuje axial con menor esfuerzo y una mejor transmisión del torque por su mayor superficie de contacto y mínimo juego.

Tipo Allen (hexagonal interno):

Muy popular para el ensamble de maquinaria se utiliza mucho con tornillos de cabeza cilíndrica. Usualmente se maneja en medidas en milímetros, pero en países de habla inglesa es más común encontrar medidas en pulgadas (sistema estandar).

Hexagonal Externo:

Otro de los estándares más populares y el más común de los cabezales geométricos. Si bién no es un tipo de ranurado, es la parte donde se aplica la fuerza de torque, por lo que volvemos a mencionarle aunque ya tiene una entrada en la parte anterior de “Geometrías de cabeza”. Usado en construcción pesada y maquinaria por su excelente transmisión de torque, y comunmente mezclado con ranurado plano o cruciforme. Usualmente se presenta en medidas metricas (en milímetros) o en estandar (fracciones de pulgada).

Tuerca Hexagonal:

Si bien la tuerca no es un cabezal de tornillo, y si bien es correcto mencionar que hay otros tipos de tuercas, la tuerca hexagonal es la geometría más común y la más usada en la industria, tanto en construcción como ensamble, y al ser apretada con las misma herramientas que los cabezales hexagonales externos y compartir sus estándares de medidas, la mencionaremos en este apartado. Dependiendo de la calidad de la tuerca, pueden tener dirección (con un lado particularmente plano o estriado) o pueden ser autoblocantes o de seguridad, con un inserto de plástico o diseño ligeramente angulado que evita que se deslize o pierda el par de apriete final.

Todas estas características se combinan en una gran variedad de tornillos, cada uno con ventajas y desventajas según la intención de uso. Como comentamos al principio, esta solo es una referencia simple y rápida.


Hasta aquí terminamos la primera parte de introducción al tema “Procesos de atornillado para ensamble industrial”. En la siguiente entrada hablaremos de el concepto de “La unión”, que es cuando juntamos partes de un mismo o varios materiales diferentes usando tornillos.

Yamazen Mexicana : Gerardo Pérez Plascencia

 

   

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Fuentes citadas:

[1] – Screw / Wikipedia (https://en.wikipedia.org/wiki/Screw)

[2] - Differentiation between bolt and screw / Wikipedia (https://en.wikipedia.org/wiki/Screw#Differentiation_between_bolt_and_screw)

[3] - Perno / Wikipedia (https://es.wikipedia.org/wiki/Perno )

[4] - Birlo / R.A.E. (https://dle.rae.es/birlo)

[5] – Machinery’s Handbook / Wikipedia (https://en.wikipedia.org/wiki/Machinery%27s_Handbook)

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