Procesos de atornillado para ensamble industrial: sistemas de medición y análisis de par de apriete (Parte 4 y final).

Introducción: En esta última entrada conoceremos los principios y las herramientas más comunes usadas para la medición y análisis del par de apriete o coloquialmente llamado “torque”.

Definición de par de apriete:

El otro componente del que debemos de hablar es el par de apriete o, coloquialmente, ‘torque’. La definición más simple de par de apriete es básicamente un ’par de fuerza’ para apretar un tornillo o tuerca, y un ‘par de fuerza’ es un dúo de fuerzas de la misma intensidad, paralelas entre si pero en sentido contrario, aplicadas centradas tangencialmente a un punto de rotación o torsión causando un ‘momento de par’, o torque. La unidad de medida del torque es newtons-metro (Nm) o alguna de sus derivadas como libras-pie o kilogramos-centímetro[2].

Medición del par de apriete:

En laboratorios científicos de metrología el torque se mide con aparatos relativamente complejos que utilizan pesas para incluir la gravedad en el cálculo, pero para efectos de ensamble industrial esto no es necesario, por lo que nos apoyamos en otras herramientas que ya están pre-calibradas y que toman en cuenta fenómenos físicos de los materiales como deformación plástica o elástica de materiales. Lo ideal es que el fabricante de estos dispositivos permita rastrear los resultados de sus herramientas a laboratorios oficiales de calibración, como por ejemplo el Centro Nacional de Metrología (CENAM) en México.

Dispositivos de medición de par de apriete:

La medición del par de apriete se realiza en dispositivos llamados “analizadores de par de apriete (torque)”, los cuales pueden ser análogos o digitales.

Los medidores de torque análogos utilizan medios mecánicos para calcular el valor de la fuerza aplicada, usualmente sistemas a partir de resortes metálicos calibrados que mueven algún tipo de indicador sobre una carátula graduada. Usualmente este tipo de herramientas tienen forma de atornillador, llave tipo matraca o llave de tuercas que pueden ser usados directamente en los procesos de ensamble para hacer pruebas en campo, o en laboratorio para pruebas más exhaustivas. Aprovecharemos para mencionar que también existen equipos de medición análogos para análisis de aplicaciones de torque que no son necesariamente aplicaciones de ensamble, por ejemplo, la fuerza para cerrar o abrir recipientes roscados, como jarras de mayonesa o tapones roscador de bebidas, entre otras aplicaciones.

Los analizadores digitales utilizan transductores piezoeléctricos (celdas de carga) para convertir la fuerza aplicada a valores en pantalla. Los analizadores digitales también están disponibles en forma de atornillador, llave tipo matraca o llave de tuercas, así como para otras aplicaciones que no son de ensamble. Además, todos los analizadores de torque más complejos con los que se calibran otras herramientas de apriete controlado usan transductores piezoeléctricos. Es con este tipo de herramientas que se calibran herramientas de torque controlado como atornilladores o llaves de impacto.

Teoría de instrumentos: precisión, resolución, exactitud (repetibilidad).

Definamos primero los conceptos:

• La precisión de un instrumento es una medida de la veracidad de sus salidas.
• La resolución de un instrumento es la medida del menor incremento o disminución en posición que puede medir.
• La exactitud de un instrumento de medición de posición es el grado de reproducibilidad.

En el ajuste de herramientas de torque, la precisión y la resolución son dependientes del dispositivo de medición, mientras que la exactitud es una característica de la herramienta misma, mientras que en operaciones de laboratorio o análisis de procesos las tres características usualmente son parte de la herramienta solo de medición, pues esta es la única que se usa en el análisis de proceso. Ejemplos de ajuste de herramienta son las llaves de impacto y de pulso, los atornilladores de paro automático o las llaves y atornilladores de torque preestablecido (coloquialmente llamadas también “llaves de click”).

Para efectos de ensamble, solo nos concentraremos en ajuste de herramientas de torque controlado. Es importante mencionar que las llaves de impacto requieren transductores especiales, no solo por los altos valores de torque, sino por el mecanismo de pulso o impacto, el cual puede dañar un equipo de análisis que no esté diseñado para este tipo de mecanismos.

Lo que buscamos medir en el ajuste de herramientas de torque controlado es la repetibilidad de los resultados dentro del rango de variación establecido por el fabricante, que se representa como un porcentaje +/-  alrededor del torque objetivo dentro del rango de apriete de la herramienta, por ejemplo.

Un atornillador de paro automático tiene un rango de 0.4 a 5 Nm, y el fabricante especifica una repetibilidad del 5% dentro del rango de par de la herramienta; nuestro proceso requiere un torque objetivo de 4.1 Nm, lo que significa que los resultados aceptables son 4.1 x 0.05 = +/- 0.205 Nm. Es decir, los valores aceptables son aquellos que estén dentro del rango 3.895 y 4.305 Nm.

Lo que debemos hacer es obtener un conjunto de datos de torque con el analizador, y con estos buscar los valores estadísticos (particularmente la media en relación con el torque objetivo) así como la obtención de la distribución normal de los resultados y su dispersión.

Esperamos que estas entradas respecto al proceso de atornillado hayan sido de su agrado. Si quieren revisar las entradas anteriores pueden hacerlo aquí:

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

- Procesos de atornillado para ensamble industrial: conceptos básicos en tornillos, uniones y dinámica. (Parte 2)

- Procesos de atornillado para ensamble industrial: tecnologías de control del par de apriete / torque. (Parte 3)

Gerardo Pérez Plascencia