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Tornillos de Fijación 1

Tornillos de Fijación Indice de Temas

1. Introducción: ________________________________________________________________ 2

2. Definiciones: ________________________________________________________________ 2

3. Clases de rosca: ______________________________________________________________ 3

4. Tolerancias y holguras: ________________________________________________________ 7

5. Tipos de tornillos: ____________________________________________________________ 8

6. Cálculo de Tornillos: __________________________________________________________ 9

6.1. Uniones que se arman sin tensado previo: ____________________________________________ 10

6.2. Uniones no cargadas que se arman con tensado previo: __________________________________ 10

6.3. Uniones cargadas transversalmente que se arman con tensado previo: ______________________ 12

6.4. Uniones cargadas axialmente que se arman con tensado previo: ___________________________ 13

7. Especificaciones y recomendaciones: ____________________________________________ 17

Tornillos de Fijación 2

1. Introducción:

Unir es uno de los problemas básicos en ingeniería, las piezas básicas siempre se integran formando

piezas más complejas. Una clasificación para las uniones las separa en : permanentes,

semipermanentes y desmontables.

En el primer grupo, se reúnen las uniones que una vez ensambladas son muy difíciles de separar. Es

el caso de las soldaduras y ajustes muy forzados. Estas uniones, si se separan, implican daños en la

zona de unión.

Un segundo grupo lo forman las uniones que en general no van a desmontarse, pero se deja abierta

esta posibilidad. Para esto se usan principalmente uniones remachadas.

Finalmente, las uniones que deben ser desmontables para efectos de mantenimiento o traslados

utilizan elementos roscados, chavetas, lengüetas, pasadores y seguros elásticos.

Entre las ventajas del tornillo como método de sujeción y unión están:

- Espesor de elementos a unir limitado sólo por la longitud de los tornillos y el área disponible

para los agujeros de los mismos.

- Conexión fácilmente desmontable con fines de separación o inspección de la maquinaria.

- Se pueden unir materiales distintos.

- Se requiere equipo barato y simple, y habilidades mínimas por parte de los operadores

- La operación de conectar con tornillos es más barata que la de soldar, no introduce esfuerzos

residuales o alabeos, no cambia el tratamiento térmico de las partes conectadas.

Entre sus desventajas se pueden citar:

- La junta es más débil que las partes que se van a unir.

- Introduce concentración de esfuerzos en los agujeros.

- Las juntas no son herméticas a fluidos a menos que se sellen. Los sellos o empaquetaduras

pueden fallar con el tiempo.

- Las juntas se pueden aflojar y pueden ser sensibles a las vibraciones, también se debilitan o

aflojan ante cambios grandes de temperatura.

2. Definiciones:

La terminología que se emplea en las roscas de tornillos

se muestran en la Figura 1, el tornillo se compone de un

núcleo o cilindro base sobre el que se desarrolla un

cuerpo helicoidal que se denomina rosca o filete.

El diámetro mayor o principal d es el diámetro del

cilindro imaginario que fuese tangente a las crestas de una

rosca externa y a las raíces de una rosca interna, es el

diámetro más grande de la rosca del tornillo y ha sido

denominado diámetro exterior.

El diámetro menor es el diámetro del cilindro imaginario

que fuese tangente a los fondos de una rosca externa o a

las crestas de una rosca interna; ha sido denominado

comúnmente diámetro de fondo y también diámetro

interior.

El paso p es la distancia que hay entre dos hilos

adyacentes, medida paralelamente al eje de la rosca.

El avance L es la distancia que se desplaza una tuerca,

paralelamente al eje de la rosca de un tornillo, cuando se

le da una vuelta (Figura 2). En el caso de un tornillo de

rosca simple o de un solo hilo, el avance y el paso son

idénticos (a); en un tornillo de rosca doble o de dos hilos,

el avance es el doble del paso (b); en un tornillo de rosca

triple o de tres hilos, el avance es el triple del paso, etc.

Figura 1 – Terminología del tornillo

Figura 2 – Avance del tornillo

Tornillos de Fijación 3

3. Clases de rosca:

Los tornillos de unión tienen filetes de sección triangular y son por lo general de una sola entrada,

consecuencia del requisito indispensable de ser irreversibles, lo cual lleva a ángulos de inclinación

pequeños.

Muchos autores consideran que el tornillo fue inventado alrededor del 400 a.C. por Arquitas de

Tarento (430-360 a.C.), al que se le debe también el invento de la polea. Una de las primeras

aplicaciones fue en prensas para la extracción de aceites de aceitunas y zumo de uvas. Arquímides

(287-212 a.C.) perfeccionó el tornillo y lo llegó a utilizar para elevar agua. También fue Arquímides

el que inventó el tornillo sinfín. Alrededor del año 200 a.C. un matemático griego, Apolonio de

Perga, desarrolló la geometría de la hélice espiral. Sin embargo, es posible que la invención del

tornillo, que tiene la forma de tornillos utilizados en las tuercas, fue descrita por primera vez por

Herodoto de Alejandría en el siglo I a.C.

En épocas antiguas era complicadísimo ya que había que buscar la rosca que coincidiera con el

tornillo, la construcción de las roscas dependía de la vista y destreza de los artesanos. Los avances

en este sentido sucedieron en el siglo XVIII. Antoine Thiout, alrededor de 1750, introdujo la

innovación de equipar un torno con un accionamiento a tornillo

que permitía al carro portaherramientas moverse

longitudinalmente en forma semiautomática. Jesse Ramsden en

1770 fabricó el primer torno con este tipo de accionamiento en

forma satisfactoria. Los tornillos de precisión permitieron obtener

instrumentos de precisión que conllevaron a la construcción de

máquinas de vapor y herramientas para máquinas. Con el

incremento de la demanda se hizo crítica la falta de una

estandarización para la intercambiabilidad de juntas.

Todos los diferentes tipos de rosca que se usan en los tornillos son

estandarizados, y es importante que el diseñador conozca los tipos

disponibles y cuáles son sus características importantes. Uno de

los tipos más antiguos es la rosca “V” (Figura 3), sin embargo, lo

agudo de la cresta hace que el tornillo sea muy susceptible al

deterioro, además la raíz aguda da como resultado grandes

concentraciones de tensiones.

La rosca Whitworth (Figura 4), en la cual la cresta y la raíz están

redondeadas, fue ideada en 1841 por el inglés Joseph Whitworth

(1803-1887) para acabar con la confusión que hasta entonces

existía en la construcción de roscas. Para ello recolectó tornillos

de un gran número de negocios británicos. Fue estándar durante

mucho tiempo en Inglaterra (BSW) según el estándar BS 84: 1956

de la British Standard. Una desventaja importante es que el paso

aumenta casi proporcionalmente con el diámetro, de modo que a

grandes diámetros corresponden pasos excesivamente grandes.

Por otra parte, ni las unidades (pulgadas) ni el ángulo de los

flancos de la rosca (55°) son normales.

Otra solución fue la rosca Sellers, propuesta por William Sellers

independientemente en Norteamérica en 1864 (Figura 5), alivió

mucho el problema reemplazando las crestas y raíces agudas con

superficies planas, esta rosca estuvo normalizada en Estados

Unidos durante muchos años (USS: U. S. Standard, NC:

American Standard Coarse Series y NF: Fine Series).

Debido a todo ello en 1898 fue adoptado en Zurich otro sistema

llamado Métrico o Internacional (Figura 6), que tiene todas las

características en una y toma como triángulo generador uno

Figura 3 – Rosca “V”

D=0.643 p H=0.9605 p r=0.1373 p

Figura 4 – Rosca Whitworth

D=0.6495 p H=0.866 p f=0.125 p

Figura 5 – Rosca Sellers

D=0.6495 p H=0.866 p T=0.125H r=0.058 p

Figura 6 – Rosca métrica SI

Tornillos de Fijación 4

equilátero con lo cual el ángulo es de 60°, y hace aumentar el paso de rosca más lentamente en

diámetros grandes que en diámetros pequeños.

La Norma Unificada surgió en 1948 de la necesidad de la intercambiabilidad de piezas roscadas

entre Estados Unidos, Canadá e Inglaterra, y de la necesidad de modificar los juegos y tolerancias

de las roscas americanas para prevenir que las roscas que deban aparearse de distintos sistemas

produzcan inconvenientes en el montaje debido a que ellas se aproximan a las mismas dimensiones

básicas. Las crestas pueden ser planas o redondeadas y el ángulo de la rosca es de 60°. En 1965 la

British Standards Institution consideró sus normas anteriores (BSW, BSF, BA) como obsoletas

indicando que el primer reemplazo para diseños futuros sería la rosca métrica ISO con la rosca en

pulgadas ISO como segunda opción.

Este perfil se fue modificando ligeramente y,

Figura 7, se conoce ahora como Perfil

Unificado (Unified Profile) o perfil de

pulgada unificada (Unified Inch Profile) de

acuerdo con la ANSI B1.1-1982.

Anteriormente, este perfil se conocía como

perfil nacional unificado (Unified National)

o como el perfil nacional americano

(American National). Este se convierte en el

perfil M en la terminología ANSI B1.13M-

1983 cuando se utilizan las unidades del

Sistema Internacional (SI), en tanto que la

organización internacional para la

estandarización (ISO) se refiere a él como el

perfil básico para roscas de tornillos para usos generales. La importancia de estas diferentes

designaciones es que implican diferentes tolerancias y holguras. El tamaño de la rosca se especifica

mediante el paso de la nomenclatura métrica y por el número de hilos por pulgada en la del sistema

unificado.

Las dimensiones de los tornillos en el sistema unificado se designan por un número de tamaño para

los diámetros mayores de menos de ¼” y por una secuencia de código para diámetros de ¼” y

mayores. Por ejemplo, un tornillo hecho en una barra de ¼” con 20 hilos por pulgada se puede

especificar:

1 / 4 - 20 UNC – 2 A

es decir, el diámetro externo nominal o tamaño nominal; el número de hilos por pulgada; los

símbolos de la forma de rosca, de la serie y de la tolerancia; y el símbolo de la clase de rosca. Se

considera que son roscas derechas a menos que la designación esté seguida por –LH.

Algunas de las series de roscas son:

- UNC (Unified National Coarse): serie de roscas gruesas u ordinarias, recomendable para uso

general, cuando la trepidación y la vibración no son factores importantes, donde es frecuente el

desmontaje de las piezas y cuando los agujeros roscados están hechos en metales que no sean

acero. Siempre se utiliza la rosca gruesa a no ser que haya una razón para emplear otra.

- UNF (Unified National Fine): serie de roscas finas, se utiliza frecuentemente en las industrias

del automóvil y de aviación; especialmente cuando existe trepidación y vibración (que tienden a

aflojar la tuerca), cuando los agujeros roscados lo son en acero (evitar usarla en materiales

frágiles).

- UNEF (Unified National Extra Fine): serie de roscas extrafinas, usada en aplicaciones

instrumentales, es particularmente útil en equipo aeronáutico; adecuada cuando haya de ser

roscado material de paredes delgadas, cuando son necesarios ajustes finos y cuando la

trepidación y las vibraciones son excesivas. Los tornillos de estas roscas están fabricados

probablemente con acero aleado tratado térmicamente.

H=0.866 p

Figura 7 – Rosca perfil unificado

Tornillos de Fijación 5

- Se dispone de varias roscar de pasos estándar constante. Como su nombre lo implica son roscas

que tienen el mismo paso para todos los diámetros. El paso para las roscas previamente vistas

aumenta al aumentar el diámetro. De esto resulta que pudiera ser imposible tensionar lo

suficiente a tornillos grandes para inducir la tensión inicial necesaria. Obviamente este problema

puede ser aligerado si permanece constante el paso al aumentar el diámetro. Algunos de los

pasos estándar constantes de roscas disponibles son el paso 8 UN, 12 UN, 16 UN y 20 UN.

Algunas aplicaciones para las cuales se usan roscas de paso constante son bridas de tuberías de

alta presión, pernos para cabezas de cilindros, maquinaria pesada, etc.

Las roscas SI se designan por la letra M precediendo el diámetro mayor nominal en milímetros,

sigue el paso en milímetros por hilo y a continuación están los símbolos para los límites de

tolerancia, por ejemplo:

M 10 x 1.25 – 5h6h

describe una rosca externa cuyo diámetro mayor es aproximadamente de 10 mm y cuyo paso es

1.25 mm por hilo.

En las tablas 1 y 2 se observan las características de roscas métricas y roscas unificadas UNC y

UNF, que serán útiles al especificar y diseñar piezas roscadas.

Tornillos de Fijación 6

Diámetro

mayor nominal d [mm]

Serie de Paso basto Serie de Paso fino

Paso p [mm] Area de

esfuerzo de

tensión At

Area al diámetro

menor Ar

Paso p [mm] Area de

esfuerzo de

tensión At

Area al diámetro

menor Ar

1.6 0.35 1.27 1.07

2 0.40 2.07 1.79

2.5 0.45 3.39 2.98

3 0.50 5.03 4.47

3.5 0.60 6.78 6.00

4 0.70 8.78 7.75

5 0.80 14.2 12.7

6 1.00 20.1 17.9

8 1.25 36.6 32.8 1 39.2 36.0

10 1.50 58.0 52.3 1.25 61.2 56.3

12 1.75 84.3 76.3 1.25 92.1 86.0

14 2.00 115 104 1.5 125 116

16 2.00 157 144 1.5 167 157

20 2.50 245 225 1.5 272 259

24 3.00 353 324 2 384 365

30 3.50 561 519 2 621 596

36 4.00 817 759 2 915 884

42 4.50 1120 1050 2 1260 1230

48 5.00 1470 1380 2 1670 1630

56 5.50 2030 1910 2 2300 2250

64 6.00 2680 2520 2 3030 2980

72 6.00 3460 3280 2 3860 3800

80 6.00 4340 4140 1.5 4850 4800

90 6.00 5590 5360 2 6100 6020

100 6.00 6990 6740 2 7560 7470

110 2 9180 9080

Datos obtenidos de ANSI B1.1-1974 y B18.3.1-1978. El diámetro menor se obtuvo con dr = d – 1.226869 p,

y el diámetro de paso dm= d – 0.649 p, la media de ellos se utiliza para evaluar el área de esfuerzo de tensión [mm2].

Tabla 1 – Roscas métricas

Diámetro mayor nominal

d [pulg]

Serie de Paso basto - UNC Serie de Paso fino – UNF

Hilos por pulg

Area de

esfuerzo de

tensión At

Area al

diámetro

menor Ar

Hilos por pulg

Area de

esfuerzo de

tensión At

Area al

diámetro

menor Ar

0.060 (N° 0) 80 0.00180 0.00151

0.073 (N° 1) 64 0.00263 0.00218 72 0.00278 0.00237

0.086 (N° 2) 56 0.00370 0.00310 64 0.00394 0.00339

0.099 (N° 3) 48 0.00487 0.00406 56 0.00523 0.00451

0.112 (N° 4) 40 0.00604 0.00496 48 0.00661 0.00566

0.125 (N° 5) 40 0.00796 0.00672 44 0.00880 0.00716

0.138 (N° 6) 32 0.00909 0.00745 40 0.01015 0.00874

0.164 (N° 8) 32 0.01400 0.01196 36 0.01474 0.01285

0.190 (N°10) 24 0.01750 0.01450 32 0.02000 0.01750

0.216 (N°12) 24 0.02420 0.02060 28 0.02580 0.02260

1 / 4 20 0.03180 0.02690 28 0.03640 0.03260

5 / 16 18 0.05240 0.04540 24 0.05800 0.05240

3 / 8 16 0.07750 0.06780 24 0.08780 0.08090

7 / 16 14 0.10630 0.09330 20 0.11870 0.10900

1 / 2 13 0.14190 0.12570 20 0.15990 0.14860

9 / 16 12 0.18200 0.16200 18 0.20300 0.18900

5 / 8 11 0.22600 0.20200 18 0.25600 0.24000

3 / 4 10 0.33400 0.30200 16 0.37300 0.35100

7 / 8 9 0.46200 0.41900 14 0.50900 0.48000

1 8 0.60600 0.55100 12 0.66300 0.62500

1 ¼ 7 0.96900 0.89000 12 1.07300 1.02400

1 ½ 6 1.40500 1.29400 12 1.58100 1.52100

Datos obtenidos de ANSI B1.1-1974. El diámetro menor se obtuvo con dr = d – 1.299038 p, y el diámetro de paso dm= d – 0.649519 p,la media de ellos se utiliza para evaluar el área de esfuerzo de tensión [pulg2].

Tabla 2 – Roscas Unificadas

Tornillos de Fijación 7

4. Tolerancias y holguras:

Las holguras especifican el espacio vacío provisto para las tuercas y los tornillos para acomodar los

recubrimientos y/o algún material extraño. Las tolerancias especifican los límites de errores de

fabricación aceptables cuando las holguras son incluidas en la producción de tornillos y tuercas que

se pretende que cumplan los perfiles y dimensiones estándares.

En la Figura 8 (a) se presenta

una pequeña parte de una

sección transversal imaginaria

de una tuerca enroscada en un

perno. Si la tuerca y el perno se

pudieran fabricar perfectamente

siempre, si ninguno estuviera

recubierto y si siempre pudieran

permanecer limpios y no

requirieran lubricante, los

perfiles de ambos entrarían en

contacto a lo largo del perfil

básico mostrado por la línea

sólida ancha.

Si se fuera a dejar espacio para

un recubrimiento o para el

polvo sería posible hacer el

tornillo ligeramente menor de lo previsto por el perfil básico según se ve en la figura. El espacio

vacío resultante se conoce como holgura; es más grande en la raíz de las roscas del tornillo y de la

tuerca para permitir el radio de los extremos de las herramientas cortantes. La diferencia entre los

perfiles de las roscas después de que la holgura se ha incluido y los perfiles reales se conoce como

tolerancia. Toma en cuenta el desgaste en la herramienta y errores de medición. Ambas se miden

radialmente como se indica por los rectángulos sombreados en la Figura 8 (b).

Las tolerancias y holguras para

las roscas de pulgada unificada

de los tornillos están dadas para

tres clases de roscas externas

(tornillos) que se representan

por 1A, 2A y 3A, y para tres

clases de roscas internas

(tuercas) que se representan

como 1B, 2B y 3B. Se

comparan en la Figura 9. De

acuerdo con este estándar, toda

la holgura se toma del tornillo y el ajuste más apretado se obtiene de los tornillos de la clase 3A y

de las tuercas 3B. Las clases 1A y 1B son para tornillos y tuercas que se pueden utilizar en un

Figura 8 (a) – Tolerancias y holguras para unificar las clases de roscas 1A, 2A, 1B y 2B.

ANSI B1.1-1982

Figura 8 (b)

Figura 9 – Holguras y tolerancias para las clases 1A, 1B, 2A, 2B, 3A y 3B. ANSI B1.1-1982

Tornillos de Fijación 8

ambiente sucio, como son caminos, minas y maquinaria agrícola, y los cuales pueden ser

recubiertos, o cuando sea necesario un montaje rápido y fácil aunque las roscas estén algo

deterioradas, como ocurre en artillería. Las clases 3A y 3B son para un ambiente limpio y roscas

fuertemente cargadas, en donde es importante un contacto completo entre los flancos del tornillo y

de la tuerca. Los de ajuste clase 2 son los más ampliamente usados y son recomendados para la

mayor parte de las aplicaciones excepto cuando se indique lo contrario por alguna razón específica.

Los estándares SI se dan en el estándar ANSI, el cual establece que fueron seleccionados del

estándar internacional ISO 965/1. Las tolerancias están dadas en grados del 3 al 9 y la holgura en

términos de cinco posiciones:

dos (G y H) para roscas

internas y tres (e, g y h) para

roscas externas. Las

magnitudes relativas de estas

holguras, tolerancias y

posiciones se ilustran en la

Figura 10, en ella se advierte

que en el sistema SI la

holgura se toma de los

perfiles del tornillo y de la

tuerca en lugar de solamente

del tornillo.

5. Tipos de tornillos:

Las distintas formas de tornillos usadas como elementos de unión, reciben los más diversos

nombres:

- Tornillos pasantes o bulones: son los

que utilizan tuercas (Figura 11). Se

usan cuando tanto la cabeza como la

tuerca son accesibles ya que los

elementos a unir permiten el uso de

agujeros pasantes no roscados,

constituyendo la forma más

satisfactoria de unión a tornillo, dado que pueden reemplazarse fácilmente en caso de rotura o

desgaste de las roscas.

- Espárragos: es una varilla sin cabeza, roscada totalmente o solo en los extremos, uno entra en un

agujero roscado y el otro recibe una tuerca (Figura 12). Tienen la finalidad de facilitar el

desmontaje ya que no es necesario retirarlos al desmontar las juntas.

- Tornillos prisioneros: no tienen tuercas, el tornillo pasa por un agujero holgado en uno de los

elementos y se enrosca en el otro (Figura 13). Se usan en los lugares donde la falta de espacio u

otras consideraciones no permiten emplear los bulones, pero no deberían usarse cuando su

remoción es frecuente, puesto que

ello podría arruinar los filetes del

elemento roscado.

- Tornillos prisioneros de presión: se

usan para prevenir el movimiento

relativo mediante la presión ejercida

por sus puntas (Figura 14). Pueden

tener o no cabeza.

Figura 10 – Holguras y tolerancias para roscas de perfil M. ANSI B1.13-1983

Figura 11 – Bulón Figura 12 – Espárrago Figura 13 - Prisionero

0.5D < C < 0.6 D H > 0.6 D

Figura 14 – Prisionero de presión

Tornillos de Fijación 9

Figura 15 – Cabezas de tornillos de máquinas y prisioneros

- Tornillos de máquinas: son

tornillos de dimensiones

relativamente pequeñas

que se emplean para

ensamble de distintas

piezas de máquinas, existe

una gran variedad que se

distingue principalmente

por el tipo de cabeza

(Figura 15).

Se emplean numerosos tipos de arandelas especiales,

pasadores y tuercas para impedir el aflojamiento de las

tuercas en servicio, algunos de los dispositivos de

seguridad más comunes se muestran en la Figura 16.

6. Cálculo de Tornillos:

De acuerdo con el carácter de la carga y del procedimiento que se utilice para montar los elementos,

las uniones roscadas se pueden clasificar en uniones sin y con tensado previo. En la construcción de

maquinaria, las uniones del primer tipo se emplean raramente. En la mayoría de los casos, las

uniones roscadas están tensadas previamente, es decir, sus elementos roscados y, por consiguiente,

las piezas a ensamblar, ya antes de que se les aplique la carga de servicio se tensan con una fuerza

de determinada magnitud para que una vez aplicada la carga de trabajo no se separen las tapas y por

el mismo hecho no se altere la estanqueidad de la unión o el funcionamiento común de los

elementos.

Como resultado del tensado previo, ya en el proceso de montaje surgen tensiones más o menos

considerables en los tornillos, cuya magnitud no se debe menospreciar; esto hace que el método de

cálculo de tales uniones sea distinto en principio del método de cálculo de las uniones que se

montan sin apriete previo.

Tienen capacidad de soportar cargas de carácter estático y según sean las designaciones de las

uniones, éstas pueden ser sólidas o resistentes y estancas. De lo expuesto anteriormente se deduce

que las uniones sólidas, de acuerdo con el carácter de la carga, pueden ser ejecutadas con o sin

apriete previo. La estanqueidad de la unión resistente y estanca se puede asegurar sólo si hay

tensado previo de magnitud requerida.

Figura 16 – Dispositivos de seguridad

Tornillos de Fijación 10

Haciendo un análisis de las tensiones que aparecen en los tornillos de filete triangular usados como

elementos de unión se ve que hay tres secciones peligrosas:

- En la unión de la espiga con la cabeza, donde

se producen el 15% de las roturas corrientes.

Para disminuir estas tensiones se suele hacer

un pequeño redondeo de la esquina con un

radio de hasta la décima parte del diámetro de

vástago (Figura 17).

- Al comienzo de la parte roscada donde se

presenta e 20% de las fallas. Se pueden

disminuir las tensiones en ese punto

construyendo un desahogo (ranurado alargado)

en la rosca (Figura 18).

- La rotura más frecuente (65%) tiene lugar por

el primer o segundo filete de trabajo. Si se hace un

ensayo y se mide la repartición de tensiones en una

tuerca de sus filetes se ve que sobre el primero de

éstos actúa el 34% de la carga (Figura 19), la que

disminuye gradualmente. Para disminuir estas

tensiones puede hacerse la tuerca de un material

algo más blando que el tornillo, de modo que

debido a la distribución indicada, el primer filete

pase el límite de fluencia, entrando en la zona

plástica y mejorando la distribución de tensiones. Así, por ejemplo, siendo el módulo de elasticidad

de la tuerca la tercera parte del módulo de elasticidad del tornillo, la carga en el primer filete de la

rosca disminuye entre un 30 y un 40% en comparación con la construcción en la

cual ambos tienen el mismo módulo de elasticidad. Otra solución es con formas

especiales de las tuercas: con cierto juego que disminuya en forma lineal, o

construir la tuerca con una ranura que le de elasticidad y sin el primer filete (el

más cargado, Figura 20).

6.1. Uniones que se arman sin tensado previo:

Generalmente los tornillos usados como elementos de unión están sujetos a esfuerzos de tracción. Si

P es la fuerza de tracción y A el área de la sección mínima o del núcleo de la rosca, la tensión

nominal actuante sobre el tornillo vale:

= P / A siendo A = di2 / 4, entonces: = 4 P / di

2 adm

En la mayoría de los casos las uniones roscadas que se someten a una carga estática, se ejecutan por

medio de elementos de formas y dimensiones normalizadas. Gracias a esto, el empleo de las normas

siempre simplifica el proceso de diseño, es decir, basta determinar por cálculo una dimensión

específica de un tornillo; todas las demás se dan en las normalizaciones de acuerdo con esta

dimensión calculada.

6.2. Uniones no cargadas que se arman con tensado previo:

Según sean las condiciones de trabajo, se dividen en uniones cargadas y no cargadas. En las uniones

no cargadas los tornillos están cargados sólo por la fuerza de apriete previo. Este tipo de uniones, en

la mayoría de los casos, no se calcula. El material, el diámetro y el paso de la rosca de los tornillos

se eligen sobre la base de la experiencia existente; la fuerza de apriete se establece de modo que

excite en el material del tornillo tensiones correspondientes a 3-5 veces el margen de seguridad

habitual (calculando por el límite de fluencia).

Figura 17 – Redondeo Figura 18 - Desahogo

Figura 19 – Repartición de tensiones

Figura 20

Tornillos de Fijación 11

En las uniones no importantes la fuerza de apriete no se reglamenta, ofreciendo su elección a la

experiencia del montador. En los talleres de montaje mecanizados, para el apriete, se utilizan

giratuercas y giratornillos de acción eléctrica o neumática con momento de tensado regulable y

automáticamente mantenido. El momento torsional de apriete Map, igual al producto de la fuerza

aplicada al extremo de la llave por el brazo de la llave, origina una fuerza axial Pax (Figura 21) que

extiende el tornillo, vence el momento de rozamiento en las espiras de la rosca y en la superficie de

apoyo en la tuerca:

Map = ( Pax tg do/2 ) + ( 1 Pax do/2 ) + ( 2 Pax D/2 )

donde:

do es el diámetro medio de la rosca

D es el diámetro medio de la superficie de apoyo de la tuerca

1 y 2 son respectivamente los coeficientes de rozamiento en las espiras de la

rosca y en la superficie de apoyo de la rosca

es el ángulo de inclinación de las espiras de la rosca

como tg = p / do, y multiplicando y dividiendo por el diámetro exterior d, que

es el nominal, resulta:

Map = Pax d/2 ( p/d + 1 do/d + 2 D/d )

En la gama de diámetros de tornillos de sujeción usados puede tomarse por término medio:

p/d = 0.15 do/d = 0.9 D/d = 1.3

Map = Pax d ( 0.024 + 0.45 1 + 0.65 2 )

de donde: Pax = Map / d ( 0.024 + 0.45 1 + 0.65 2 )

La magnitud de las tensiones provocadas por el apriete, conforme a la expresión anterior, depende

fuertemente de la magnitud de los coeficientes de rozamiento. El rozamiento actúa como si

bloqueara la fuerza de apriete: una gran parte de ésta se gasta en vencer el rozamiento y sólo una

parte insignificante se transmite al vástago del tornillo. Por ejemplo, siendo 1 = 0.22 y 2 = 0.11,

correspondientes a las superficies no lubricadas, la parte del momento torsional que se utiliza para

apretar el tornillo, es igual a: [ 0.024 / (0.024 + 0.1 + 0.072) ] 100 % = 12 %, el 88% restante del

momento torsional se invierte en vencer el rozamiento (si en la superficie de rozamiento hay

lubricante, con el mismo momento, crecen las tensiones en el tornillo). Con estos valores:

Pax = 5 Map / d

Por otro lado, la fuerza axial provoca en el tornillo tensiones de tracción:

= Pax / A = 4 Pax / ( di2 ) = Pax / ( 0.785 di

2 )

Mientras que el momento de rozamiento en las espiras de la rosca provoca en el tornillo tensiones

de torsión:

= Pax 1 do / ( 2 Wtor )

siendo Wtor = 0.2 di3 el momento resistente del tornillo a la torsión, por consiguiente:

Figura 21

Tornillos de Fijación 12

= Pax 1 do / ( 0.4 di3 )

De acuerdo a la teoría de rotura: max = ( 2 + 4 2

)½ ( Pax/ di

2 ) [ 1.6 + 25 1

2 ( do / di )

2 ]

½

Tomando, además, para las condiciones medias di = 0.8 d, se obtiene:

max 2.6 Pax/ d2 = 13 Map / d

3

En el diagrama de la Figura 22 se aportan los valores de

max calculados con esta ecuación en función del

momento de apriete para los tornillos de distinto

diámetro. Este diagrama puede servir para la

determinación aproximada de las tensiones que surgen en

el tornillo, al apretar con distinto momento torsional. Por

la tensión admisible puede hallarse la magnitud límite del

momento torsional de apriete.

La dependencia inversamente proporcional de la tensión

al cubo del diámetro del tornillo condiciona un

crecimiento brusco de las tensiones que surgen durante el

apriete, con la disminución del diámetro del tornillo. Al

apretar con la mano puede originarse, en los tornillos de

pequeño diámetro, una tensión excesiva que los pueda

estirar y hasta romper. En la Tabla 3 se dan las

magnitudes aproximadas de los esfuerzos y del momento

torsional, al apretar los tornillos a mano, y en la Tabla 4

las magnitudes de las tensiones que surgen en los tornillos

al tensarlos con llaves estandarizadas, con un esfuerzo de

15 Kg. Como se ve en la última tabla, a una magnitud

pequeña de rozamiento pueden romperse también los

tornillos M10, apretándolos con la mano. Prácticamente

se excluye la probabilidad de pretensar los tornillos con

rosca mayor de M12, si se usan llaves estandarizadas.

Si por las condiciones constructivas hay que utilizar

tornillos pequeños, conviene tomar medidas para

restringir el momento de apriete o fabricar tornillos de

acero de calidad, tratado térmicamente. El procedimiento

más sencillo para limitar el momento torsional de apriete

reside en limitar el brazo de las llaves, a medida que

disminuye el diámetro del tornillo.

Las tensiones de torsión surgen sólo durante el apriete y

desaparecen luego como resultado de la repercusión

elástica del tornillo. Por eso, al calcular las uniones de

apriete a una resistencia mecánica duradera,

habitualmente, no se tienen en cuenta las tensiones de

torsión, limitándose al cálculo de los tornillos a la fuerza

axial.

6.3. Uniones cargadas transversalmente que se arman con tensado previo:

Al colocar un tornillo en un agujero con juego, para evitar el desplazamiento relativo e inadmisible

de los elementos de la construcción, en dirección de las fuerzas efectivas, la unión debe estar

tensada.

Figura 22 – Momento de apriete y tensiones

Tornillos Brazo de la

llave [m]

Esfuerzo de

apriete [Kg]

Momento de

apriete

[Kgm]

Pequeños (M4-M8)

0.10 - 0.15 ~ 10 1 - 1.5

Medianos

(M10-M14) 0.15 - 0.20 ~ 15 2 - 3.0

Grandes (M16-M24)

0.20 - 0.25 ~ 20 4 - 5

Tabla 3 – Esfuerzos y momentos torsionales

al apretar tornillos a mano

Tornillos Tensiones [Kg/mm2] para

1=0.22 2=0.11 1=0.11 2=0.055

M 6 100 180

M 8 50 90

M10 30 54

M12 17 30

M14 12 22

M16 9 16

La línea doble separa tensiones que exceden fluencia de

los aceros al carbono ordinarios.

Tabla 4-Tensiones en tornillos apretados con llaves estand.

Tornillos de Fijación 13

La fuerza de tensado produce una tracción sobre el tornillo que ya se vio

como calcularse. Esta fuerza se determina por la fuerza requerida de

rozamiento que actúa en los planos de la junta de los elementos a unir,

por la condición:

Ff = Pax i F

siendo i el número de juntas, de aquí que: Pax F / i

Para la construcción de la Figura 23, i = 2, tomando

para las superficies secas de acero y de fundición =

0.2, Pax = 2.5 F; si el número de juntas es 1, la fuerza

necesaria para el tensado será Pax = 5 F.

En estas uniones es conveniente prever unos

dispositivos especiales que descarguen el tornillo de la

percepción de las fuerzas transversales y que aseguren

la inmovilidad relativa de sus elementos (Figura 24).

6.4. Uniones cargadas axialmente que se arman con tensado previo:

Este caso es típico para la mayoría de las uniones en grupo que se utilizan en la construcción de

maquinarias para sujetar tapas, bridas, placas, etc. En algunos casos estas uniones deben satisfacer

requisitos de hermeticidad; por ejemplo la unión entre la tapa y el cilindro de un motor de

combustión. En otros casos no se debe separar la unión, si esto altera el trabajo conjunto de los

elementos en el órgano: tornillos de bielas, de cimentación, etc.

Estos requisitos se aseguran con el tensado previo de las uniones roscadas, cuya magnitud debe ser

tal que después de aplicar la carga de trabajo no se abra la junta ni se altere la hermeticidad. Esto

significa que después de aplicar la carga de trabajo P, la cual puede disminuir el efecto de tensado

previo Fa, los elementos de la unión se deben apretar el uno contra el otro con una fuerza Fc

llamada tensado permanente.

La magnitud de la caída de la fuerza de tensado se determina por la magnitud de la carga de trabajo

y por la construcción del conjunto, es decir, por las propiedades elásticas de los elementos de la

unión. Se procede a continuación a analizar esto en forma gráfica y analítica.

En la Figura 25-a se observa un

tornillo sin ajustar.

En la Figura 25-b se observa que si

se aplica una carga de preajuste,

haciendo girar forzadamente la

tuerca con una llave, la carga en el

perno aumenta y sufrirá un

alargamiento t o deformación

positiva, como se actúa dentro del

régimen elástico se aplica la ley de

Hooke:

t = Fa l / E1 A1

y las juntas un acortamiento o deformación negativa: c = Fa l / E2 A2

Siendo l el espesor de los elementos a unir (hasta donde haya rosca en el caso de la figura)

considerando ya la deformación plástica de la junta, de aquí se desprende que la junta cumple

únicamente funciones de sello y que una vez deformada no realiza aporte elástico al conjunto dado

su escaso espesor.

E1 y E2 son los correspondientes módulos de elasticidad de cada material.

Figura 23 – Fuerzas transversales

Figura 24 – Dispositivos para evitar el corte en el tornillo

Figura 25 – Desplazamientos tornillo y junta con precarga y carga de trabajo

Tornillos de Fijación 14

La superficie de acción de las tensiones en el tornillo es A1 y está dada por el núcleo de su vástago o

el diámetro interior de la parte roscada.

Para los elementos a unir es A2 y surge de considerar la acción de una superficie contra la otra, su

valor depende del espesor de los elementos considerados y que prácticamente se resuelve

suponiendo una sombra a partir de la corona referida al bocallave de la cabeza del tornillo o la

tuerca. El método de estimación es empírico pero apoyado por numerosas experiencias prácticas y

conduce a valores acertados en los cálculos. Para espesores de unión en valores igual o menor que

el diámetro del tornillo se considera la corona circular que implica el interior del agujero y el

exterior del mencionado bocallave (corona de asiento). Para valores superiores de espesor se

considera el cono de sombra (Figura 26) con origen en el bocallave que se intersecta con la otra

superficie. Para simplificar los cálculos, estos conos se cambian por cilindros, cuyas áreas en las

secciones axiales son iguales a las áreas de los conos de las mismas secciones. Dicha intersección

puede ser de forma irregular según sea la existencia o

no de material en alguna de las caras. Además en la

evaluación y medición de superficies debe

considerarse sólo la menor. Puede darse el caso de que

se incremente el diámetro original del bocallave

mediante el uso de arandelas suplementarias de

espesor importante (0.5 diámetro del tornillo),

logrando con ello un aumento en la superficie A2. Con

respecto al ángulo del cono de sombra, los resultados

de los estudios de fotoelasticidad muestran que el

mismo varía entre 25 y 33°, dependiendo del material,

el grosor y el nivel de esfuerzo de la placa.

Cuando se grafican las

deformaciones del tornillo

y de las juntas en función

de la carga (Figura 27), se

observan dos rectas I y II

de ángulos y , de signos

contrarios por ser sus

deformaciones de inverso

sentido. Cuanto más rígido

es un elemento, mayor es la pendiente de su curva carga-deformación, debido a que es necesaria

mayor fuerza para producir una deformación particular (tg=Fa/ t=E1A1/l ; tg=Fa/ c=E2A2/l).

Dichas deformaciones han sido producidas por la misma fuerza de apriete Fa. Se unen ambas

representaciones para el posterior análisis, dado que los elementos trabajan, a partir del apriete, en

forma simultánea mientras exista dicho apriete.

Si ahora, como se observa en la Figura 25-c, se solicita al conjunto con una carga P, proveniente

por ejemplo de la presión interna generada por la explosión en el cilindro de un motor a

combustión, y que tiende a separar la unión, el tornillo se alarga una cantidad adicional y las

juntas recuperan una parte de su longitud inicial, es decir que al estirarse el tornillo la longitud

, le ha permitido a las juntas, que estaban comprimidas, estirarse una igual longitud:

= F1 l / E1A1 = F2 l / E2A2

Como se aprecia en la Figura 28, la fuerza de unión cae de Fa a Fc y la carga que solicita al tornillo

se eleva a:

Fe = Fc + P = Fa + F1

Figura 26 – Conos de presión

Figura 27 – Gráfico de Deformaciones y cargas

Tornillos de Fijación 15

expresión que muestra como con la existencia del apriete

previo se favorece la acción del tornillo ya que éste no

recibe toda la carga de trabajo (P = F1 + F2), sino que

parte de ésta se consume en descomprimir los elementos

unidos.

F2= F1 E2A2/E1A1 y F1= F2 E1A1/E2A2 = P - F2

entonces F2 = P / ( 1 + E1A1/E2A2 )

La junta estará a punto de abrirse cuando la deformación

de las piezas unidas llegue a anularse, a causa de que si se

estira ulteriormente el perno, las partes o piezas unidas ya

no pueden expandirse más para que las superficies se

mantengan en contacto.

Para resolver la elección de la carga de apriete se plantea

la relación deseada para todo momento de trabajo entre la

fuerza actuante y la remanente sobre la junta, o sea:

Fc = P

donde el valor de es obtenido experimentalmente y

resulta función de la exigencia técnica que deben

cumplimentar los elementos a unir y las distintas

posibilidades de precisión a las que puede accederse en la

ejecución del diseño (Tabla 5).

Ahora puede calcularse la fuerza de apriete necesaria:

Fa = Fc + F2 = P + F2 = P + P / ( 1 + E1A1/E2A2 ) = P ( + 1 )

1 + E1A1/E2A2

Como es evidente de lo anterior la relación E1A1/E2A2 no ejerce influencia alguna en la magnitud

de las fuerzas Fe y Fc que se determinan exclusivamente por la magnitud del coeficiente , dicha

relación influye sólo en la fuerza de apriete.

La fuerza Fa también puede obtenerse gráficamente: se comienza trazando la recta I (Figura 27: a

partir del origen de coordenadas con un ángulo tg=E1A1 ef / l ed, siendo ef la escala de fuerzas y ed

la escala de deformaciones); luego se trazan las rectas horizontales correspondientes a Fe y Fc; en la

intersección de la rectas I-Fe se baja una línea vertical hasta cortar a Fc; en la intersección de éstas

últimas se traza la recta II (con un ángulo tg=E2A2 ef / l ed). La intersección de las rectas I y II da

como resultado la fuerza de apriete Fa.

La tensión tangencial de torsión, combinada con la tensión de tracción directa del tornillo, produce

una tensión equivalente algo mayor que la tensión de tracción inicial. Sin embargo, en la práctica,

se prescinde de la carga de apriete trabajándose con P, fácil de determinar, pero disminuyéndose las

tensiones admisibles:

A1 = di2/4 = P / adm

adm tiene que ser bastante baja y convenientemente elegida de manera que el margen respecto de la

tensión de fluencia sea adecuado a las dimensiones del tornillo. Una fórmula propuesta por Seaton y

Routhwaite, que da resultados razonables cuando se usa para tornillos de acero conteniendo de 0.08

a 0.25% de Carbono y para diámetros mayores de 19.05 mm (3/4”), es:

Figura 28 – Cargas y deformaciones con carga de trabajo

Materiales a unir Junta

Acero

rectificado

Acero

rectificado

sello

anaeróbico 0.95

lámina acero 0.88

lámina cobre 0.85

Fundición

rectificada

Fundición

rectificada

sello anaerób. 0.81

lámina cobre 0.75

junta cobre 0.71

junta aluminio 0.61

junta amianto 0.51

cobre-amianto 0.48

Aluminio cobre-amianto 0.48

Tabla 5 – Coeficiente

Tornillos de Fijación 16

adm = C A10.418

De la cual la capacidad total de carga del tornillo vale: P adm [Kg] = adm A1 = C A11.418

[cm2]

La constante C, para tornillos de hasta 2”, puede tomarse como de valor 160 para tornillos de acero

al carbono de 4200 Kg/cm2 de resistencia a la tracción, y hasta 480 para tornillos de acero de

aleación, aumentando en proporción directa a la resistencia del acero. Los tornillos de 2” y mayores

se calculan generalmente para una tensión de 500 a 550 Kg/cm2 para aceros al carbono, y hasta

1400 Kg/cm2 para aceros de aleación. Para bulones de bronce, C puede tomarse igual a 32 para

diámetros de hasta 4”.

Si el tornillo se verifica teniendo en cuenta las tensiones de apriete (o para tornillos de diámetros

menores de ¾” donde no es válida la expresión anterior), la tensión de trabajo de los mismos puede

ser ligeramente inferior a la tensión en el límite de fluencia.

En las uniones

cargadas por una

fuerza pulsante (Figura

29), la anteriormente

mencionada relación

E1 A1 / E2 A2 influye

también en la amplitud

de pulsación de las

fuerzas Fe y Fc. Si la

fuerza de trabajo oscila

en los límites de 0 a P,

la fuerza de extensión de los tornillos pulsa con una amplitud:

F1 = Fe – Fa = P / (1 + E2 A2 / E1 A1 )

y la fuerza de compresión de los cuerpos, con una amplitud:

F2 = Fa – Fc = P / (1 + E1 A1 / E2 A2 )

En la figura se observa que sin el preajuste la carga P hubiera producido tensiones variables que

saldrían fuera del diagrama de Smith, mientras que con la aplicación de Fa a pesar de haber

aumentado la tensión media, la amplitud de la oscilación a caído de forma tal que se queda ubicado

dentro del mencionado diagrama.

En las Figuras 30 (a) y (b) se

muestra la influencia que ejerce

la rigidez del cuerpo y de los

tornillos en el trabajo de la

unión, siendo la unión original la

figura (c) y manteniendo la

fuerza de trabajo P y iguales.

Con la disminución de E1A1/E2A2 (cuerpos rígidos y/o tornillos elásticos, Figura 30-a), la fuerza de

apriete Fa aumenta, la amplitud de pulsación de Fe disminuye y la de Fc aumenta. En el caso de

tornillos rígidos y cuerpo elástico (Figura 30-b), la fuerza de apriete Fa disminuye, la amplitud de

pulsación de la fuerza Fe aumenta, la amplitud de pulsación de la fuerza de compresión Fc

disminuye. Por consiguiente, a una carga pulsante para la resistencia mecánica de los tornillos son

más ventajosos los cuerpos rígidos, y para la fiabilidad de la compacidad, los dúctiles.

Las uniones con carga de tensión, sometidas a la acción de fatiga, se pueden analizar directamente

por los métodos correspondientes (Goodman, Soderberg, etc.)

Figura 29 – Carga de trabajo alternativa

(a) (b) (c)

Figura 30 – Variación de las amplitudes de las fuerzas en función de la rigidez

Tornillos de Fijación 17

7. Especificaciones y recomendaciones:

Para mantener la uniformidad de la presión en las juntas los pernos deben tener un espaciamiento o

paso de hasta 6 veces el diámetro del tornillo. Pero a fin de mantener el espacio libre para que entre

la llave, los pernos deben espaciarse por lo menos con 3 diámetros de separación. Así una regla

práctica para el espaciamiento de pernos, cuando N de éstos se disponen en un círculo de diámetro

D, es:

3 D / N d 6

Algunos autores sugieren además utilizar un espaciamiento tal que el punto de contacto de dos

conos de sombra consecutivos no se aleje del plano medio de la placa más del 25% de l1/2.

La longitud de contacto de la rosca en un agujero roscado debe ser por lo menos igual a 1.5 d

aproximadamente en el caso de fundición y otros materiales frágiles, y aproximadamente igual a d

cuando se trata de acero. Si un agujero roscado no puede atravesar toda la pieza, el agujero a roscar

debe ser taladrado por lo menos hasta una profundidad adicional d/4, a fin de que quede el

suficiente espacio libre para la herramienta en el fondo.

La Figura 31 es una representación de un tornillo

estándar de cabeza hexagonal. En la Tabla 6 se ven

las dimensiones. El diámetro de la cara de rondana

o arandela es igual al ancho entre las caras planas

de la cabeza hexagonal. La longitud de la rosca en

los tornillos de las series en pulgadas es:

Lt = 2 d + ¼ “ para L 6”

Lt = 2 d + ½ “ para L > 6”

y para los tornillos de las series métricas (en milímetros) es:

Lt = 2 d + 6 para L 125 d 48

Lt = 2 d + 12 para 125 < L 200

Lt = 2 d + 25 para L > 200

Figura 31 – Tornillo estándar

d[“] Tipo de cabeza

Cuadrada Hexagonal regular Hexagonal pesada Hexagonal estructural

F espesor F espesor Rmín F espesor Rmín F espesor Rmín

1/4 3/8 11/64 7/16 11/64

0.01

5/16 1/2 13/64 1/2 7/32

3/8 9/16 1/4 9/16 1/4

7/16 5/8 19/64 5/8 19/64

1/2 3/4 21/64 3/4 11/32 7/8 11/32 0.01 7/8 5/16 0.009

5/8 15/16 27/64 15/16 27/64 0.02

1 1/16 27/64 0.02

1 1/16 25/64 0.021

3/4 1 1/8 1/2 1 1/8 ½ 1 1/4 1/2 1 1/4 15/32

1 1 1/2 2 1/32 1 1/2 43/64

0.03

1 5/8 43/64

0.03

1 5/8 39/64

0.062

1 1/8 1 11/16 3/4 1 11/16 3/4 1 13/16 3/4 1 13/16 11/16

1 1/4 1 7/8 27/32 1 7/8 27/32 2 27/32 2 25/32

1 3/8 2 1/16 29/32 2 1/16 29/32 2 3/16 29/32 2 3/16 27/32

1 1/2 2 1/4 1 2 1/4 1 2 3/8 1 2 3/8 15/16

d [mm]

M 5 8 3.58 8 3.58 0.2

M 6 10 4.38 0.3

M 8 13 5.68 0.4

M10 16 6.85

M12 18 7.95

0.6

21 7.95

0.6

M14 21 9.25 24 9.25

M16 24 10.75 27 10.75 27 10.75 0.6

M20 30 13.40 0.8

34 13.40 0.8

34 13.40 0.8

M24 36 15.90 41 15.90 41 15.90 1.0

M30 46 19.75 1.0

50 19.75 1.0

50 19.75 1.2

M36 55 23.55 60 23.55 60 23.55 1.5

Tabla 6 – Dimensiones de pernos de cabeza cuadrada o hexagonal

Tornillos de Fijación 18

La longitud del perno ideal es aquélla en que sólo sobresalen uno o dos hilos desde la tuerca,

después de su apriete.

Varios estilos de tuercas

hexagonales se presentan en la

Figura 32, sus dimensiones se

dan en la Tabla 7.

Para proceder a la fabricación de una rosca se pueden

seguir al menos tres caminos: forjar la rosca a través de

peines, tornearla o maquinarla usando machos y terrajas.

La figura 33 muestra el proceso de fabricación de una

rosca interior utilizando una broca para perforar el

diámetro interior y un macho para cortar el hilo en la

pared de la perforación. Los machos son utilizados para

formar hilos interiores, mientras que las terrajas son

utilizadas para roscas exteriores.

Los agujeros roscados pueden tener rebabas o bordes

agudos después de su formado. Tales salientes podrían

penetrar en el entalle y aumentar la concentración de

tensiones, por consiguiente, deben usarse siempre

arandelas bajo la cabeza del perno para impedir lo

mencionado.

La resistencia del tornillo es el factor clave en el diseño o análisis de uniones atornilladas. En las

especificaciones estándares para pernos, la resistencia se expresa enunciando la resistencia límite

mínima, la resistencia límite (proof strength) corresponde aproximadamente a la resistencia de

fluencia y vale, en forma aproximada, 90% de la resistencia de fluencia estimada con

desplazamiento de 0.2%. Las especificaciones SAE se tienen en la Tabla 8, las especificaciones

para sujetadores métricos se dan en la Tabla 9. Los pernos con especificación de grado fabricados

en Estados Unidos, muestran la marca de grado en la cabeza del perno. Tales marcas señalan que el

perno cumple o excede las especificaciones.

Figura 33 – Fabricación de una rosca interior

a)Vista de extremo general b)Con resalto de arandela c)Biselada en ambos lados

d)De seguridad (contratuerca) con resalto de arendela e)De seguridad biselada en ambos lados

Figura 32 – Tuercas hexagonales

d[“] Ancho

F

Altura Hexag.

regular

Gruesa o

ranurada

Contra-

tuerca

1/4 7/16 7/32 9/32 5/32

5/16 1/2 17/64 21/64 3/16

3/8 9/16 21/64 13/32 7/32

7/16 11/16 3/8 29/64 1/4

1/2 3/4 7/16 9/16 5/16

9/16 7/8 31/64 39/64 5/16

5/8 15/16 35/64 23/32 3/8

3/4 1 1/8 41/64 13/16 27/64

7/8 1 5/16 3/4 29/32 31/64

1 1 1/2 55/64 1 35/64

1 1/8 1 11/16 31/32 1 5/32 39/64

1 1/4 1 7/8 1 1/16 1 1/4 23/32

1 3/8 2 1/16 1 11/64 1 3/8 25/32

1 1/2 2 1/4 1 9/32 1 1/2 27/32

d [mm]

M 5 8 4.7 5.1 2.7

M 6 10 5.2 5.7 3.2

M 8 13 6.8 7.5 4.0

M10 16 8.4 9.3 5.0

M12 18 10.8 12.0 6.0

M14 21 12.8 14.1 7.0

M16 24 14.8 16.4 8.0

M20 30 18.0 20.3 10.0

M24 36 21.5 23.9 12.0

M30 46 25.6 28.6 15.0

M36 55 31.0 34.7 18.0

Tabla 7 – Dimensiones de tuercas hexagonales

Tornillos de Fijación 19

Grado

SAE N°

Intervalo de

tamaños,

inclusive

Resistencia

límite mín a la

tensión [kpsi]

Resistencia

última mín a la

tensión [kpsi]

Resistencia de

fluencia mín a

la tensión [kpsi]

Material Marca de

cabeza

1 ¼ - 1 ½ 33 60 36 Acero de mediano

o bajo carbono

2 ¼ - ¾

7/8 – 1 ½

55

33

74

60

57

36 Acero de mediano

o bajo carbono

4 ¼ - 1 ½ 65 115 100 Acero de mediano

carbono, estirado en frío

5 ¼ - 1

1 1/8 – 1 ½

85

74

120

105

92

81

Acero de mediano

carbono Templado

yRevenido (T y R)

5.2 ¼ - 1 85 120 92 Acero martensítico de bajo carbono,

T y R

7 ¼ - 1 ½ 105 133 115 Acero de aleación

de mediano carbono, T y R

8 ¼ - 1 ½ 120 150 130 Acero de aleación

de mediano

carbono, T y R

8.2 ¼ - 1 120 150 130 Acero martensítico de bajo carbono,

T y R

Tabla 8 – Especificaciones SAE para pernos de acero

Clase de

propiedad

Intervalo de

tamaños,

inclusive

Resistencia

límite mín a la

tensión [MPa]

Resistencia

última mín a la

tensión [MPa]

Resistencia de

fluencia mín a la

tensión [MPa]

Material Marca de

cabeza

4.6 M5 – M36 225 400 240 Acero de mediano

o bajo carbono

4.8 M1.6 – M16 310 420 340 Acero de mediano

o bajo carbono

5.8 M5 – M24 380 520 420 Acero de mediano

o bajo carbono

8.8 M16 – M36 600 830 660 Acero de mediano o bajo carbono,

T y R

9.8 M1.6 – M16 650 900 720 Acero de mediano

o bajo carbono, T y R

10.9 M5 – M36 830 1040 940 Acero martensítico

de bajo carbono,

T y R

12.9 M1.6 – M36 970 1220 1100 Acero de aleación,

T y R

Tabla 9 – Especificaciones métricas para pernos de acero