domingo, 11 de mayo de 2008

SOBRE LA RESISTENCIA MECÁNICA DE LOS TORNILLOS DE ACERO

INDAGANDO SOBRE LA RESISTENCIA MECÁNICA DE LOS TORNILLOS DE ACERO.

Para el ingeniero de mantenimiento y diseño, al igual que para los técnicos de mantenimiento mecánico y eléctrico, es de suma importancia conocer las características mecánicas del acero de fabricación de los tornillos para determinar los pares de ajustes necesarios en las uniones apernadas o sus capacidades de carga para alguna aplicación en particular.

Es una pifia común el desconocimiento parcial o total de esta información por parte de nuestros técnicos de mantenimiento, creándose por esta causa una serie de acontecimientos y fallas que repercuten directamente sobre el proceso de producción e incluso llegando a establecer las condiciones para un accidente laboral.

Las características mecánicas de los aceros de los tornillos la podemos encontrar en el mismo tornillo. Lo que se requiere es el conocimiento básico sobre la interpretación de los símbolos y números empleados por los fabricantes para mostrar la información según la norma de fabricación del perno o de la tuerca.

En Venezuela coexisten principalmente dos sistemas, el imperial americano y el métrico europeo, este último ha migrado con éxito al sistema internacional o ISO. En ambos sistemas, los fabricantes de tornillería están obligados por las normas de fabricación suministrar los valores de resistencia mecánica del material, estampando en los tronillos y tuercas estos valores, los cuales pueden estar expresados por números como lo exigen las normas DIN/ISO o por símbolos como lo imponen las normas ISO y norteamericanas.

Los símbolos para la identificación del material se encuentran normalmente sobre la cabeza de los tornillos hexagonales o más raramente en una de las caras del hexágono (ISO).

Para los tornillos tipo “allen” la información se coloca en el borde superior o a un costado en la parte inferior de la cabeza cilíndrica.

En el caso de las tuercas, esta información puede estar en una de las caras o en una de las superficies de apoyo de la tuerca en la arandela.


En las tuercas métricas y con demarcación por medio de números, sólo se contempla el valor de la resistencia a la tracción del material, la cual debe de coincidir con la del tornillo.

Cuando la identificación del material que está estampada sobre el tornillo viene expresada por números, no es necesario disponer de tablas para determinar los valores de resistencia mecánica del acero del tornillo o de la tuerca, este es el caso de las normas DIN y de la ISO, aunque esta última contempla también un código encriptado.

La información numérica marcada en los tornillos de acuerdo a las normas DIN/ISO está formada por dos números separados por un punto. Por ejemplo 5.6. Estos números son la llamada “calidad” del material.

El primer número multiplicado por 100 nos está indicando LA RESISTENCIA A LA TRACCIÓN (R) del acero del tornillo expresado en Newton sobre milímetro cuadrado. El segundo número indica la relación entre el valor del PUNTO DE FLUENCIA PROPORCIONAL (Rp) y el valor de RESISTENCIA A LA TRACCIÓN, (Rp/R).

Para el caso anterior de 5.6 tenemos:

El 5 multiplicado por 100 nos da 500 N/mm2 de RESISTENCIA A LA TRACCIÓN, valor de “R” del acero.

El segundo número es .6, nos indica que el valor del PUNTO DE FLUENCIA PROPORCIONAL (Rp) es el 60% del valor de la resistencia a la tracción del acero del tornillo, que para el ejemplo es 300 N/mm2, valor que corresponde al 60% de 500 N/mm2, (500x0,6=300).

Otra manera de determinar el punto de fluencia es multiplicado el primer número por el segundo (5x6) nos da la décima parte del punto de fluencia del material, de manera que al multiplicar por 10 el resultado tenemos el valor DEL PUNTO DE FLUENCIA (Rp), que para el ejemplo es 300 N/mm2, (5x6x10=300).


Si tenemos un tornillo con calidad 8.8, los valores de resistencia mecánica son:

Resistencia a la tracción (R) es igual al producto: 8 x 100 = 800 N/mm2.

Punto de fluencia proporcional (Rp) es igual al 80% de la resistencia a la tracción; 800 x 0.8 = 640 N/mm2 de fluencia.

Cuando la calidad del tornillo está expresada con los símbolos según la ISO y tomando en cuenta que estos símbolos están formados por un punto y una o dos rayitas, para su interpretación es preferible recurrir al empleo de una tabla para obtener los valores de resistencia mecánica del acero de fabricación, a menos que nos memoricemos algunos tips. Los diferentes valores de resistencia y fluencia están expresados por la posición de las rayas con respecto al punto de la manera siguiente: si visualizamos un reloj de aguja en la cabeza del tornillo y el punto representa las 12, la raya nos da la “hora”, de manera que esa “hora” es el primer número que nos indica la resistencia a la tracción, por ejemplo, si la raya apunta a las tres (3), el primer número es 3, lo cual nos muestra el valor de tracción de 300 N/mm2, si es una sola rayita, el segundo número es .6, que nos indica la fluencia del material en función del valor de tracción como ya se expuso. Si aparecen dos rayitas, el segundo número es .8, para el caso de la calidad 10.9, la raya simple nos indica que el segundo número es .9, pero si son dos las rayitas, nos indica que el acero es martensitico.

En la tabla siguiente están los símbolos empleados por la ISO y su equivalente en el sistema numérico DIN/ISO, de este dato podemos determinar los valores de resistencia tal como se expuso mas arriba.

Los símbolos empleados en el sistema imperial americano, dan el “grado” del material. Los valores de fluencia y tracción están expresados por rayas en disposición radial para el caso de la norma SAE. Para las tuercas, la norma coloca un par de rayas o una pequeña raya y un punto en la zona de fricción o apoyo, el punto es la referencia y la posición de la raya determina el grado del material. La norma ASTM emplea caracteres alfanuméricos o rayas. En todos estos casos se requiere siempre de la tabla para poder conocer los valores de resistencia del acero con que fue fabricado el tornillo o la tuerca.

Vale señalar que los tornillos allen imperiales a diferencia de los métricos, se fabrican de un solo material y no poseen ninguna marca para identificar el acero.


Debe recordarse, que la tuerca a utilizar debe corresponder a la misma calidad o al mismo grado o en su defecto inferior y nunca con valores superiores al del tornillo.
La tabla siguiente es un extracto de los valores de tensión de rotura (R) y fluencia para algunos grados SAE de tornillería.


Una vez determinada las características mecánicas del acero del tornillo estamos en capacidad de establecer las fuerzas de apriete o calcular los pares de ajuste en función de la aplicación, o, la capacidad de carga para los tornillos cuando están sometidos a fuerzas cortantes, consiguiéndose con esto una garantía sobre la confiabilidad de nuestra unión apernada, garantía con la que no se cuenta cuando la tornillería es instalada sin considerar su calidad o grado y además es ajustada sin ningún criterio.

La intención de esta entrega no es la de exponer al detalle todas las posibles normas de identificación del material para los tornillos y tuercas, pero deja clara la interpretación básica para los casos más frecuentes que se presentan en el país. El mundo de las roscas, tornillos y tuercas es muy extenso y hasta complejo aunque a primera vista no lo pareciera; como muestra a lo dicho basta con estar al tanto de que no existe un acuerdo general o internacional sobre el ajuste o torqueado de los tornillos, existiendo una fuerte discusión al respecto, sin embargo se emplea casi de forma universal el método más cuestionado de ajuste, el método con torquímetro.

96 comentarios:

  1. como se calcul lafuerza a cizalla o cortadura?

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  2. ¿cómo se calcula la fuerza de cizalla o cortadura?

    Un modesto cálculo empírico, leo, es la fuerza de cizalladura igual a las 4/5 partes,del coeficiente de trabajo ,en mm2, es decir, Kg. total de rotura a tracción x 0,8 = Kg. fuerza de cortadura.Joan

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    1. No entiendo...
      Un tornillo de M16 de 8.8¿que aguantaria a cizalladura?

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    2. Ojo! los tornillos deben calcularse a la tracción NO al corte (Cizalladura) pero bien vale verificar luego, lo importante es el concepto.

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    3. No entendí el comentario del 06-ene-2016 (Unknown), pero los tornillos solicitados a tracción deben verificarse a tracción, los tornillos solicitados a corte deben verificarse a corte, y los solicitados a corte y tracción deben verificarse para la actuación combinada de ambos esfuerzos.

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  3. Necesito conocer los datos de resistencia de un tornillo de cabeza hexagonal de 100 mm.
    El codigo en la cabeza es K56 en la parte superior y 2485 en la inferior, no encuentro ninguna referencia o norma que use esos valores, si me pueden asesorar seria de gran ayuda, desde ya muchas graciassss

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  4. ya que nadie lo ha dicho, GRACIAS, has ahorrado un monton de trabajo a muchísima gente, y por lo que veo nadie te ha dicho que le ha sido de utilidad, cuando así es, felicidades.

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    1. Mil gracias por tu sincero comentario y gracias por la visita.

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    2. Gracias compadre, desde Chile, aca casi nadie lo sabe.

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    3. No te preocupes, por acá en Venezuela estamos igual y te sorprendería el nivel de desconocimiento que muestran los profesionales sobre el tema y de otros también. Gracias por el comentario y por la visita.

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    4. Desde Qatar también se te envían unas humildes gracias. Buen trabajo.

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    5. Desden SLP Mexico gracias

      Excelente informacion

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    6. es mas facil callar,que reflejar la ignorancia,dar gracias por la docencia de los que no son egoistas es tambien espresar humildemente gratificacion por lo que se aprende,abrazo a todos aquellos que saben compartir su sapiencia.-

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  5. Muchas gracias por la informacion me fue muy util hasta luego

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  6. MUY BUENA Y UTIL LA INFORMACION, DE VERDAD!

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  7. La información que das es bastante completa.
    Muy interesante por el desconocimiento que existe en mecánicos e incluso ingenieros.
    Gracias por aumentar la cultura en los profesionales.

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    1. Comentarios como el tuyo me indican que vale la pena montar este tipo de entradas… …
      Gracias.

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  8. Muchas gracias por toda esta informacion,un saludo desde Puerto Madryn Chubut Argentina.me pone muy contento cuando personas que saben comparten su conocimiento.

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  9. Estimado, gracias por compartir esta info. técnica .. Desde lla muchas gracias, valla un saludo grande desde Argentina Santa fe ..

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  10. HOLA... QUISIERA SABER SI ME PUEDES DAR UNA MANO.
    NESECITO SABER LA RESISTENCIA A LA ROTURA DE UN BULON DE 10MM 8.8, PERO NO EN EL SENTIDO LONGITUDINAL DEL TORNILLO, SINO EN EL SENTIDO TRANSVERSALYA QUE DE ALLI COLGARA UNA ROLDANA DONDE COLGARAN PERSONAS.
    GRACIAS.

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    1. Lo que planteas es un caso de corte si la distancias de los apoyos es muy pequeña. Para efectos de cálculo, el valor de resistencia del tornillo es aproximadamente la mitad.

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  11. felicitaciones por el aporte!!!!

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  12. Saludos.

    Requiero saber si puedo utilizar tornillos calidad 8.8 (04 unidades) para fijar una mesa sobre la que se intalara un winche con capacidad de 4 toneladas. Los tornillos a utilizar son M12 x 50 milimetricos. Requiero una forma de calculo de esfuerzo cortante. La mesa tiene 6 mm de espesor y se fijara al chasis de un camion con tornillos calidad 8.8 tambien.

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    1. Lo que requieres está publicado en el articulo "Cálculo de la longitud roscada"
      Saludos.

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  13. Gracias, Me ha parecido muy didáctico.
    Como veo que te gustan los relojes de sol te invito que busques sobre el reloj de sol de Sant Pol de mar, seguro que te gusta su historia

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  14. ORGULLOSO DE Q SEAS VENEZOLANO BROTHER, MUY DIDACTICO Y FACIL... Y TIENES RAZON POR AHI HAY MUCHOS ING MECANICOS QUE DESCONOCEN DEL TEMA!!!

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  15. Muy útil.
    Muchas gracias por dedicar tiempo y por compartir esa tan buena explicación.

    SaludoX,
    Viper_4x4

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  16. Muyo bueno tu aporte, gracias.
    Mi consulta es para el caso de pernos y tuercas de acero inoxidable. ¿Los fabricantes especifican de igual manera la resistencia al corte?

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    1. Normalmente en los tornillos y tuercas de acero inoxidables se coloca una letra que indica el tipo de acero y un número que es la resistencia a la tracción de ese acero.
      Gracias por la visita

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  17. Este comentario ha sido eliminado por el autor.

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  18. Muy bueno tu aporte, felicidades. y quiero aprovechar, para preguntarte, cuando aguanta un M10 grado 5 a cizalladura, en caso de ponerle una carga de 120 Kg a 100Km/h, es para calcular un tornillo para disco de freno.

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  19. no entiendo como puedo decir que un tornillo M8x1.25 de un material de resistencia de 8.8 me pueda aguantar unos 800 N/mm2

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  20. soy mecánico de 6 años de experiencia, desconocía muchas cosas de las que mencionas en tu articulo. Muchas gracias por tu aportación.

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  21. Muchísimas gracias por tu publicación, es muy clara, precisa y útil. Saludos desde Rosario, Santa Fe, Argentina

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  22. muy bien y didáctico... felicidades por la redacción y ejemplos...

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  23. buen dia estoy redisenando la herramienta de corte para torno SVJBR 2525 M16 ella involucra dos tornillos al ser ensamblada en nuestra empresa se plantea el diseno de esta herramienta pero sustituir el uso de 2 tornillos por uno solo quisiera saber que se puede hacer

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  24. quisiera saber como hago para cambiar el uso de 2 tornillos en la herramienta SVJBR 2525 M16 por uno solo que cumpla con la misma funcion en el rediseno preferiblemente milimetrico

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    1. Gracias por el comentario Jonathan. Dependiendo de la aplicación es posible hacer lo que tú indicas, un punto a considerar es la estabilidad de la pieza atornillada. Con un tornillo es más fácil que la pieza gire mientras que con dos esto no ocurre. Desde el punto de vista de resistencia el tema es más fácil ya que no debería haber inconvenientes al respecto si el nuevo tornillo soporta las cargas que recibirían los dos tornillos sustituidos.

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  25. Fernando:

    Tendras información de que significa la nomenclatura S30400 en la cabeza de un tornillo de acero inoxidable de ½" x 2½"?

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  26. Gracias por la informacion muy completa y bien explicada
    Saludos desde Guatemala!!!!!!
    Antonio

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  27. hola tengo una caja la cual sera ensamblada por medio de un tornillo, la caja pesa 5 kg esta sometido a un cortante simple y debe de soportar entre 5 y 6 g como puedo hacer el calculo de que tornillo utilizar. mil gracias

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  28. gracias estaba buscando esto!

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  29. Muy interesante tu publicación y ciertamente de gran utilidad.

    gracias y saludos

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  30. Muchas gracias por tu publicación.
    Un comentario: Si los tornillos no tienen identificación, y sospechamos que son de procedencia china, recomiendo multiplicar todos los valores de resistencia obtenidos por 0,00000001. ¡Son de plastilina!. Un saludo desde Villa Madero, Argentina

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    1. Si los tornillos son bajo normas americanas y no tienen el grado indicado son SAE 1 ó SAE 2

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  31. necesito saber los kg de resistencia a la tracción de un bulón alem de 12mm, en la cabeza dice 12.9
    Gracias

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  32. necesito saber los kg de resistencia a la tracción de un bulón alem de 12mm, en la cabeza dice 12.9
    Gracias

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  33. Amigo en el texto del Sr Fernando Capriles lo ejemplifica muy sencillo
    El primer número multiplicado por 100 representa la resistencia del perno a la rotura.
    En este caso tu perno de calidad 12,9 tiene una resistencia de 1200 N/mm2
    Y como se trata de un perno 12mm usando la vieja fórmula del área de un tornillo pi por el radio al cuadrado tenemos que 3,1416 x (6mm)2 = 113,09mm2
    El cuál será la sección del perno.
    Es decir tú perno de calidad 12,9 de 12mm de diámetro aguantara
    113,09 x 1200 = 135708 Newtons antes de partirse.
    Tomando en cuenta que 1Kgf = 9.8 N
    Entonces decimos que
    135708 / 9.8 = 13847,75 Kgf
    Espero haberte ayudado saludos.
    Y excelente información Sr Fernando ha sido muy útil.

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    1. Y para saber la máxima carga que puede soportar tu perno de calidad 12,9 de 12 mm de diámetro sin deformarse el segundo número te lo indica ya que la misma representa el % de la resistencia a la rotura, en este caso el 9 nos dice que el 90% de la resistencia a la rotura es el limite elástico
      Esto quiere decir que el limite elástico de este perno sería
      1200 x 0,9 = 1080 N/mm2
      Es decir que la máxima carga que puede soportar tu perno 12,9 de 12 mm de diámetro sin deformarse sería.
      Limite elástico x Área del perno
      1080 x 113,09 = 122137,2 N
      122137,2 / 9,8 = 12462,97 Kgf
      Espero este dato te sirva de algo saludos.

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    2. pero esa cuentas dependen de como se aplique esa fuerza ya que se habla de una resistencia a la tracción, si yo tengo el perno sujeto en sus extremos y le aplico una carga puntual de forma transversal, generando una flexión, las fórmulas varían ya que hablamos de esfuerzos y en este caso de flexión.

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  34. Fernando gracias por la información.
    Tengo una Válvula de bola con su respectivo Acople macho, en el Acople se consignan los números 1.6 y en la Válvula los números 6.11 Mi consulta es: Puedo considerar esta numeración igual cómo has explicado para los tornillos y tuercas?
    Desde Arequipa Perú Saludos. Edmundo Miranda.

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    1. No, la numeración es solo para los tornillos. En el caso de las válvulas, algunas traen en la brida el tamaño de la misma y la norma

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  35. Podrias indicar cuál es esa Norma DIN/ISO a la que te refieres, no la encuentro. Gracias. Edmundo Miranda.

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  36. Podrias indicar cuál es esa Norma DIN/ISO a la que te refieres, no la encuentro. Gracias. Edmundo Miranda.

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    1. En la imagen de lsa cabezas de los tornillos (la tabla) se ven las normas relacionadas.
      Gracias por la visista

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  37. Fernando gracias por la información.
    Tengo una Válvula de bola con su respectivo Acople macho, en el Acople se consignan los números 1.6 y en la Válvula los números 6.11 Mi consulta es: Puedo considerar esta numeración igual cómo has explicado para los tornillos y tuercas?
    Desde Arequipa Perú Saludos. Edmundo Miranda.

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    1. No, no hay relación. A veces esos números indican su posición en el plano….

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  38. buenas Sr fenando oye tengo una duda respecto al diámetro de los tornillos y su llave a utilizar y viseversa, ya sabemos por conocimientos empíricos o por practica que un tornillo 5/16" para ser ajustado o desajustado se necesita una llave 1/2" o un tornillo 3/8" usariamos una llave 9/16" y asi sucesivamente la pregunta es existe una formula que demuestre esto, es decir un caso si tengo una llave 7/8" que tornillo entraría en dicha llave? espero me puedas ayudar saludos

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    1. Son series normalizadas, en las métricas es alguna de las series de Renard

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    2. yo utilizo la siguiete regla : para cabeza hexagonal le sumo3/16 al diamètro del tornillo igual como tu lo dices en tu pregunta, y para cabezal bristol le resto 1/16 o sea si tienes un tornillo cabeza bristol de 5/16" de diámetro entonces la copa punta bristol serà de 1/4".

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  39. Buen día Fernando quisiera saber porque razón un perno allen de acero 12.9 se rompería dentro de una caja de cambios, si se supone que es un grado alto y resistiría mucho más peso. Gracias por su pronta respuesta.

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    1. Es dificil saber la causa sin conocer la aplicación exacta. el que sea de mayor resistencia no necesariamente elimina un problema. Son muchas las posibles causas y la forma y superficie de la falla (rotura) dice mucho sobre la causa. por ejemplo, desalineación puede partir los tornillos. las vibraciones tambien por aflojar los tornillos.
      Gracias por la visita.

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  40. J Fernando
    Para un perno M10 clase 8.8 paso 1.5 el torque recomendado es 53Nm y su torque de ruptura esta aproximadamente en 100Nm.
    Cual es su torque MAXIMO admisible?
    Te agradezco me ayudes a encontrar tablas de torque recomendados asociadas al torque maximo.
    Saludos

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    1. Gracias por la visita.
      El torque máximo queda definido por la aplicación y los criterios asumidos como factor de seguridad y la presencia de juntas blandas o de acabados superficiales como el galvanizado de las partes a unir. Las normas alemanas VDI recomiendan el empleo del 90% del punto de fluencia (tensión en el tornillo) si es una unión de acero acero.
      Gracias.

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  41. BUENAS , COMO HAGO PARA SABER LA RESISTENCIA A LA PRESIÓN DE UN TORNILLO DE DIAM.5/8"NCx2" DE LONG.
    EJEMPLO: ES UNA TAPA QUE VA A RESISTIR LA PRESIÓN DE UNA EXTRUSORA DE CAUCHO,PERO NO TENGO EL DATO DE LA PRESIÓN Q ESTÁ EJERCIENDO.

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  42. Gracias , desde Peru -lima.

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  43. Buenas y enhorabuena por la didáctica del blog.
    Me gustaría saber en el caso de los tornillos DIN912 de clase 12.9, si se puede averiguar el límite elastico de rotura, pero no en Fuerza, sino en elongación. Estos tornillos tienen un esfuerzo de rotura de unos 300KN, pero en la aplicación que tengo actualmente, se rompen y no puedo saber qué fuerza los hace romper por tratarse de una dilatación térmica de las placas que agarran. Sé que los tornillos se estiran por el calefactado de estas placas unos 0,25mm y se relajan cada 10 segundos, 24 horas al día, y acaban rotos al cabo de unas semanas. En este caso no sólo afecta la elongación máxima sino la fatiga por el trabajo repetitivo, pero sólo con saber cuál es la elongación máxima (que supongo será un valor relativo a la longitud del propio tornillo) podría estimar si estamos cerca de este límite o no. Los tornillos son de M20x70, y la longitud desde la cabeza hasta el inicio de rosca de unos 35mm (la longitud que realmente se está estirando).
    Gracias por tu apoyo.

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    1. Muchas gracias por tu visita.
      Revisa primero el par de ajuste que le das al tornillo. Las tensiones de origen térmico son enormes.....
      La capacidad del tornillo se ve mermada por la temperatura.

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  44. BUNAS . J Fernando : mepodrias desir la descripsion o resistencia de un tornillo que tiene en la caveza el numero 316

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  45. Muy buenas. yo tengo un proyecto de residencia y solo tengo que poner la información no detallada de cuanta vida útil tienen 7 tornillos al soportar 2 toneladas en vertical entre los 7. para una maquina inyectora de plástico.

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    1. En principio nunca se deben reusar tornillos…… no se sabe a ciencia cierta en que estados se encuentran después de trabajar, incluso, no se sabe si los tornillos fueron sobretorqueados por ejemeplo.

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  46. Buenas Tardes, quien me podría responder cuando el tornillo trabaja a cortante se requiere instalar arandelas en cabeza y tuerca, o con que criterio se instalan las arandelas. gracias

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    1. En principio todos deberían llevar arandelas para minimizar el juego entre la rosca y el agujero.

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  47. Gracias por hacer paginas como estas,
    Bendiciones

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  48. gracias y muchas felicidades, me ha sido de mucha utilidad ya que nadie nunca me lo habia enseñado, y como pregunta, cual es la cantidad minima que debe entrar un tornillo en una rosca para que estos calculos tengan esos valores??

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    1. Digamos que hay una norma al respecto…. Un diámetro y medio del tornillo…….

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