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.