2013 Guía de las uniones atornilladas

Erik Galdames

3ª Edición Junio, 2013

Coeficiente de fricción – Guía de las uniones atorn illadas

3ª Edición Página 2 de 25

Índice

1. Introducción ......................................................................................................................................3 2. Elementos de fijación roscados ........................................................................................................3

2.1. Definiciones .............................................................................................................................3 2.2. Clase de resistencia de los tornillos........................................................................................4

3. Uniones atornilladas .........................................................................................................................4 3.1. Tipos de uniones atornilladas .................................................................................................4

3.1.1. Uniones blandas .................................................................................................................4 3.1.2. Uniones duras o rígidas ......................................................................................................4

3.2. Cálculo de uniones atornilladas ..............................................................................................5 3.3. Conceptos básicos de las uniones atornilladas ......................................................................5

3.3.1. Fuerza de apriete ................................................................................................................5 3.3.2. Par de apriete y ángulo de giro ..........................................................................................5

3.4. Métodos de medición del par de apriete .................................................................................6 3.4.1. Mediciones estáticas ..........................................................................................................6 3.4.2. Mediciones dinámicas ........................................................................................................6

4. Coeficiente de fricción ......................................................................................................................6 4.1. Normas y especificaciones del coeficiente de fricción............................................................8 4.2. Símbolos utilizados según ISO 16047 ....................................................................................9

5. Determinación del coeficiente de fricción .........................................................................................9 5.1. Fórmula de Kellermann-Klein .............................................................................................. 12 5.2. Coeficiente de fricción en rosca y cabeza ........................................................................... 12 5.3. Ensayo de coeficiente de fricción ........................................................................................ 13 5.4. Factores que influyen en el coeficiente de fricción .............................................................. 14

6. Recubrimientos .............................................................................................................................. 14 7. Técnicas de apriete ....................................................................................................................... 16

7.1. Apriete manual ..................................................................................................................... 16 7.2. Herramientas de montaje ..................................................................................................... 17

7.2.1. Atornilladoras inalámbricas ............................................................................................. 17 7.2.2. Atornilladoras de impacto ................................................................................................ 17 7.2.3. Atornilladoras de impulsos .............................................................................................. 17 7.2.4. Atornilladoras eléctricas con control electrónico de par y ángulo ................................... 17 7.2.5. Montaje con control de par de apriete ............................................................................. 17 7.2.6. Montaje con control de ángulo ........................................................................................ 18 7.2.7. Montaje con control de límite elástico ............................................................................. 19 7.2.8. Comparación entre procesos de apriete ......................................................................... 19 7.2.9. Tabla descriptiva de tipos de apriete ............................................................................... 20

7.3. Comportamiento stick-slip .................................................................................................... 20 7.3.1. Generalidades ................................................................................................................. 20 7.3.2. Método de estudio del comportamiento stick-slip ........................................................... 22

8. Bibliografía ..................................................................................................................................... 23 9. Normas y especificaciones relacionadas ...................................................................................... 23 10. Anexos ...................................................................................................................................... 24

10.1. Coeficientes de fricción en la industria de la automoción .................................................... 24 10.2. Coeficientes de fricción de algunos recubrimientos ............................................................ 24



1. Introducción

Esta guía sobre uniones atornilladas tiene como propósito presentar al lector una introducción sobre las uniones atornilladas, principalmente en el sector de automoción, el coeficiente de fricción de las uniones atornilladas de rosca métrica, las técnicas de apriete de uniones atornilladas utilizadas y un resumen de las propiedades de los recubrimientos más utilizados en la industria de la automoción de hoy en día.

Esta guía no pretende ser un estudio exhaustivo sobre las uniones atornilladas, ni pretende establecer fórmulas para el cálculo de uniones atornilladas. Los datos presentados aquí son experimentales y son fruto de la experiencia compartida de varios años con otras empresas y asociaciones, y pueden ser de guía tanto como la persona interesada en acceder por primera vez a este tema como para aquellos profesionales que utilizarla como consulta. La bibliografía en la que está basado este documento está fuertemente consolidada en la industria y proviene de fuentes fiables con años de experiencia en el sector, y cuyas directrices se siguen en la industria de la automoción desde varios años. El propósito es facilitar al lector una introducción a las uniones atornilladas, sus características, su problemática, así como una revisión de los recubrimientos actuales, que además de ofrecer una buena resistencia a la corrosión, tienen como objetivo cumplir con los requisitos de montaje de los constructores de automóviles.

Esperamos que su lectura sea grata y permita despertar el interés del lector y que profundice en esta interesante materia. También desearíamos cualquier comentario o sugerencia para mejorar o corregir este documento y que nos permita en un futuro revisarlo y aportar más información útil al lector.

2. Elementos de fijación roscados

Definiciones 2.1.

Coeficiente de fricción Número adimensional directamente proporcional a la fuerza de rozamiento. Es proporcional al momento de apriete e inversamente proporcional a la carga (tensión)

Coeficiente de fricción bajo cabeza del tornillo

Coeficiente de fricción producido bajo la cabeza de apoyo del tornillo o tuerca durante el apriete

Coeficiente de fricción en rosca

Coeficiente de fricción producido en la rosca de los elementos de fijación en unión durante el apriete

Par de apriete, momento de apriete

Conjunto de fuerzas en sentido contrario destinadas a realizar el apriete del tornillo. Proporcional a la fuerza ejercida en la rotación y al radio de accionamiento (llave, superficie de apoyo, etc.)

Carga, tensión, fuerza de apriete

Fuerza axial que actúa en el vástago del tornillo o compresión actuante en la superficie fijada durante el apriete

Carga de prueba Fuerza aplicada según norma ISO 898-1, ISO 898-2 o ISO 898-6. En el ensayo de carga de prueba se somete la pieza a una fuerza determinada y posteriormente al ensayo se mide la longitud de la pieza. La pieza debe volver a su forma original, dentro de un intervalo de tolerancia

Carga de rotura Fuerza máxima antes de la ruptura del tornillo

Carga de prueba 0,2% Fuerza aplicada en la que la deformación permanente es del 0,2% después de que se ha eliminado la carga aplicada

Carga al límite elástico Límite del comportamiento elástico, a partir del cual la deformación es plástica

Par de apriete al límite elástico

Par de apriete aplicado para conseguir llevar al tornillo al límite elástico

Ángulo de giro Ángulo de giro del apriete con relación a una tensión determinada



Clase de resistencia de los tornillos 2.2.

La clase de resistencia de los tornillos según ISO 898-1 viene definida en tablas y está marcada en la cabeza de los tornillos convencionalmente.

La resistencia a la tracción es la resistencia al estiramiento ocasionado por la fuerza de apriete que se produce durante un apriete.

El tornillo se identifica con el siguiente código para designar sus propiedades:

• La primera cifra se multiplica por 100 y nos da el valor de la resistencia a la tracción en N/mm2.

• La segunda cifra es 10 veces el cociente del límite elástico inferior (o el límite elástico convencional al 0,2%) y la resistencia a la tracción. Ej. 640/800 = 0,8; 0,8x10 = 8

Las dos cifras separadas multiplicadas por 10 nos dan el valor del límite elástico aparente en N/mm2: Ej. 8x8x10 = 640 N/mm2

Así tenemos que 8.8 significa resistencia a la tracción 800 N/mm2 (8x100 = 800 N/mm2); 10.9 significa resistencia a la tracción de 1.000 N/mm2; 12.9 significa resistencia a la tracción de 1.200 N/mm2

Designación de resistencia de un tornillo

3. Uniones atornilladas

Son uniones que constan de un tornillo, una arandela, una o dos superficies planas, una tuerca, o bien un tornillo directamente en un bloque con agujero ciego. Las uniones atornilladas ejercen una fuerza de sujeción por medio del par de apriete aplicado al tornillo ensamblado.

Tipos de uniones atornilladas 3.1.

3.1.1. Uniones blandas

Las uniones con elementos como tornillos largos, en las que participen otros elementos, como arandelas elásticas, tuercas, requieren mayor ángulo de giro para conseguir el par de apriete, después del par umbral o “snug torque”. En estas uniones es necesario un mayor ángulo de giro para conseguir el par de apriete deseado.

3.1.2. Uniones duras o rígidas

Son aquellas uniones en las que el momento de apriete sube rápidamente en línea recta y con un ángulo agudo con respecto a la vertical, a partir del “snug torque”. Esto significa que la unión alcanza el par de apriete buscado en un valor de ángulo de giro pequeño. Ejemplo de estas uniones son las uniones con tornillos cortos con chapa metálica (uniones pasantes) o en uniones en agujero ciego sobre bloque metálico.

8.8

XYZ

10.9

XYZ

Identificación del fabricante

Clase de resistencia



Cálculo de uniones atornilladas 3.2.

Para el cálculo de uniones atornilladas se siguen las directrices del documento VDI 2230 “Systematische Berechnung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen Zylindrische Einschraub-verbindungen” (Cálculo sistemático de uniones atornilladas sometidas a gran esfuerzo. Uniones atornilladas cilíndricas). Este documento editado por la VDI Verein deutscher Ingenieure (Asociación de ingenieros alemanes) es un documento sobre el cálculo de uniones atornilladas para tornillos M4 a M30, con varios ejemplos. Dado que es un documento utilizado internacionalmente, está editado en versión bilingüe en inglés y alemán.

Para el cálculo de uniones atornilladas se sigue el proceso de 13 pasos.

Existen varios programas informáticos que permiten facilitar al diseñador el cálculo de las uniones atornilladas.

Conceptos básicos de las uniones atornilladas 3.3.

3.3.1. Fuerza de apriete

En una unión atornillada se debe garantizar que la fuerza de apriete a la que se somete la unión sea lo suficiente para poder asegurar los elementos ensamblados. De ello depende la seguridad de la unión atornillada.

Por el principio de acción-reacción, se producen dos fuerzas de sentido opuesto; una que produce el estiramiento del tornillo y otra que produce una compresión sobre la superficie a sujetar. La interacción de estas fuerzas produce la sujeción de los elementos constructivos.

3.3.2. Par de apriete y ángulo de giro

Para conseguir la fuerza de apriete necesaria para sujetar los elementos constructivos a unir, debe aplicarse una par de fuerzas. Este movimiento es circular y es aplicado por la llave de apriete o herramienta de montaje. El par de fuerzas o momento de apriete resultante es función del radio de la herramienta y de la fuerza aplicada.

Fuerza de apriete

Compresió n

T = Fuerza x Radio



Métodos de medición del par de apriete 3.4.

Para determinar si una unión está correctamente apretada, es necesario medir el momento de apriete. Existen dos tipos de métodos de medición del par de apriete; uno de forma estática y otro de forma dinámica

3.4.1. Mediciones estáticas

La medición del par de apriete se realiza con una llave dinamométrica después de realizar el apriete. Con esto se comprueba que la unión atornillada se ha realizado correctamente.

3.4.2. Mediciones dinámicas

La medición se realiza por medio de un transductor de par de apriete. Esto permite un control del proceso de montaje. Este es el caso de las herramientas de apriete eléctricas. Así, se elimina la necesidad de realizar una comprobación posterior.

La medición se realiza con un transductor de par de apriete instalado en la herramienta de apriete o con un sistema que controla el par de apriete en continuo.

4. Coeficiente de fricción

El coeficiente de fricción se determina mediante ensayo normalizado con el objetivo de establecer comparaciones entre diferentes uniones atornilladas. Los ensayos se realizan a temperatura ambiente y sus condiciones se encuentran definidas. Existen varias normas y especificaciones que determinan el coeficiente de fricción por medio de la relación lineal existente entre la carga aplicada y el momento de apriete en el intervalo de deformación elástica. El ensayo de coeficiente de fricción no determina el comportamiento de las uniones atornilladas en el montaje. Los valores y condiciones del ensayo no deben utilizarse para definir el comportamiento de uniones atornilladas en uso. Sobre problemas en montaje se deben simular las condiciones utilizadas en el montaje, ya que estas varían respecto a las condiciones del ensayo de coeficiente de fricción (par de apriete, carga aplicada, etc.)

θθθθ ángulo de giro



Los aparatos de medición de coeficiente de fricción miden la fuerza de apriete, el momento de apriete total, el momento de apriete debajo de cabeza y el ángulo. El momento de apriete en rosca es calculado por medio de la diferencia entre el momento total T, y el momento de apriete debajo de la cabeza.

Fotografía de un banco de coeficiente de fricción

El método general para determinación del coeficiente de fricción se basa en la relación lineal existente entre la carga (tensión) y el momento de apriete, cuando esta unión se produce dentro del intervalo elástico del tornillo. En una unión atornillada, que conste de un tornillo, tuerca y superficie de apoyo, la tensión que se crea es generada por un momento de apriete (apretamiento del tornillo). Este par de apriete produce una tensión axial, que bajo el principio de acción-reacción, produce un estiramiento del tornillo y una compresión de la superficie apretada. Es decir, se producen dos fuerzas de sentido opuesto, una que produce un alargamiento del tornillo y otra que produce un aplastamiento de la superficie contra la que se aprieta el tornillo y la tuerca. Todo el momento de apriete no se emplea en crear esta tensión, sino que la mayor parte se utiliza en vencer la fricción. Se produce una fricción en la rosca y otra debajo de la cabeza del tornillo contra la superficie de apoyo. El 50% del momento aplicado genera fricción debajo de la cabeza, el 40% en la rosca y el 10% restante se utiliza en generar el apriete.

T F

F

Tb

Tth = T – Tb

Esquema de ensayo de coeficiente de fricción de un tornillo

Tuerca de referencia Tornillo

Célula de carga

Placa de apoyo

Vaina de soporte



Normas y especificaciones del coeficiente de fricc ión 4.1.

DIN 946 1991 (anulada) Bestimmung der Reibungszahlen von Schrauben und Mut tern unter festgelegten Bedindungen Determinación del coeficiente de fricción de tornillos y tuercas bajo condiciones especificadas

ISO 16047:2005 Fasteners – Torque/Clamp force testing Elementos de fijación – Ensayo de par de apriete/fuerza de apriete

Renault 01-50-005 Eléments de fixation – Contrôle du coefficient de f rottement Elementos de fijación – Control del coeficiente de fricción

PSA C10 0054 Vis goujons écrous – Aptitude au frottement Tornillos espárragos y tuercas – Comportamiento al coeficiente de fricción

Ford WZ100 y 101 Steel Metric Threaded Fasteners Torque/Clamping For ce Performance Rendimiento de par de apriete/carga de apriete de elementos de fijación de acero de rosca métrica

VDI 2230 Systematische Berechnung hochbeanspruchter Schraube nverbindungen Zylindrische Einschraubverbindungen Cálculo sistemático de uniones atornilladas sometidas a gran esfuerzo. Uniones atornilladas cilíndricas



Símbolos utilizados según ISO 16047 4.2.

d Diámetro nominal del tornillo Fu Fuerza de apriete de rotura

d2 Diámetro de flancos de la rosca del tornillo Fy Fuerza de apriete en el límite elástico

d4 Diámetro del agujero pasante del equipo de ensayos T Momento de apriete

dh Diámetro del agujero de paso de la arandela o de la placa de apoyo

Tth Momento de apriete en la rosca

Do Diámetro exterior de la superficie de apoyo Tb Momento en la superficie de apoyo de la cabeza del tornillo/tuerca

Dp Diámetro exterior de la superficie plana de la placa de apoyo

P Paso de rosca

Db Diám. medio para el momento de fricción en la cabeza o la tuerca (medida o teórica)

θ Ángulo de giro en el apriete del tornillo/tuerca

Lc Longitud de apriete µth Coeficiente de fricción en la rosca

Lt Longitud de la rosca completa entre las superficies de apoyo

µb Coeficiente de fricción en la superficie de apoyo del tornillo/tuerca

F Fuerza de apriete µtot Cdf. comparativo para el comportamiento a la fricción de una unión atornillada

Fp Carga de prueba según ISO 898-1, ISO 898-2 o ISO 898-6

5. Determinación del coeficiente de fricción

Se aplica un momento de apriete de forma uniforme a un montaje tornillo/tuerca o tuerca/tornillo para generar una fuerza de apriete, y así medir varias características. Se suele representar como un gráfico de carga y momento de apriete F - T.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Clamping Force/Fv [kN]

Tor

que/

Ma

[Nm

]

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Ma/Fv-_001.PRBµges_UL-_001.PRBµges_LL-_001.PRBMa/Fv-_002.PRBµges_UL-_002.PRBµges_LL-_002.PRBMa/Fv-_003.PRBµges_UL-_003.PRBµges_LL-_003.PRBMa/Fv-_004.PRBµges_UL-_004.PRB



El coeficiente de fricción se representa en función de estas dos magnitudes. En el intervalo de deformación elástico existe una relación directa entre el momento de apriete y la carga. Para uniones atornilladas de rosca métrica ISO vale la siguiente relación matemática (1). Cuando se produce el atornillamiento, el movimiento circular sobre la rosca se puede descomponer en una pendiente (triángulo recto de altura igual al paso de rosca del tornillo). El proceso de apriete se puede representar como si se desplazara hacia arriba un objeto por la pendiente.

En el intervalo de deformación elástico existe una relación directa entre el momento de apriete y la carga. Para uniones atornilladas de rosca métrica ISO vale la siguiente relación matemática (1). Cuando se produce el atornillamiento, el movimiento circular sobre la rosca se puede descomponer en una pendiente (triángulo recto de altura igual al paso de rosca del tornillo). El proceso de apriete se puede representar como si se desplazara hacia arriba un objeto por la pendiente. Al movimiento de avance, se opone la fuerza de rozamiento generada por el desplazamiento de la carga por la pendiente. El momento aplicado en el apriete es igual a la suma del momento generado en la rosca y el momento generado sobre la superficie de apoyo del tornillo/tuerca. El momento de apriete en rosca se determina a partir de la medición del par de apriete total y el par de apriete medido en la cara de apoyo (1.1), en aquellos equipos que solo miden par de apriete total y par de apriete debajo de la cabeza del tornillo.



( )( )

( )

( )4 2

578,0159,0

(3) 2

(2) 578,0159,0

1.1

1

2

2

⋅+⋅⋅+⋅⋅=

⋅⋅=

⋅⋅+⋅⋅=−=+=

bb

th

bbb

thth

bth

bth

DdPFT

DFT

dPFT

TTT

TTT

µµ

µ

µ

El método general utiliza una ecuación en la que se asume que el coeficiente de fricción en la rosca y debajo de la cabeza es el mismo, por lo tanto, el promedio de los dos valores es igual:

bthtot

bthtot

µµµ

µµµ

==

+=

2

Para determinar el coeficiente de fricción total, sólo es necesario conocer:

• T, Tb, F, que es determinado por el equipo. Tth es determinado por diferencia entre T y Tb

• P, d2 y Db son parámetros dimensionales del tornillo/tuerca. Debe prestarse especial atención al cálculo del parámetro Db, ya que ofrece mucha variación respecto al cálculo real realizado entre ensayos realizados en diferentes laboratorios!!!

2ho

b

dDD

+=

Los valores objetivo de MA y FV se obtienen a partir de tablas para las dimensiones del tornillo a analizar.

• Para ello es necesario conocer las características del tornillo (diámetro, paso de rosca, diámetro de flancos, clase de resistencia del elemento)

• La carga aplicada es el 70% de F0,2 (carga mínima en el límite elástico o límite elástico convencional al 0,2%) para DIN 946 o 75% de la carga de prueba para ISO 16047

Los valores de F se determinan por tablas de VDI 2230 o en las tablas de ISO 898-1, ISO 898-2, aunque los equipos de medición permiten una determinación de este valor en función del límite elástico del propio tornillo medido.

(5)

2577,0

2

2b

tot Dd

P

F

T

+⋅

−=µ



Fórmula de Kellermann-Klein 5.1.

La fórmula del cálculo del coeficiente de fricción está basada en la fórmula de Kellermann-Klein

La fórmula de Kellermann-Klein fue publicada en 1955 por Rudolf Kellermann y Hans-Christof Klein en el estudio “Investigaciones sobre la influencia de la fricción sobre la tensión y el momento de apriete de uniones atornilladas” (“Untersuchungen über den Einfluss der Reibung auf Vorspannung und Anzugsmoment von Schraubenverbindungen”).

En este estudio se analizan los factores que influyen en la fricción.

(10) 4154,1

154,1

2

1

2

2

+⋅+⋅−

⋅⋅⋅+⋅= hob

th

th dD

dP

dPFT µ

µπ

µπ

Coeficiente de fricción en rosca y cabeza 5.2.

Se puede determinar el coeficiente de fricción de las fórmulas (2) y (3) en la rosca, mth y en la superficie de apoyo de la cabeza del tornillo, µb

Para determinar los coeficientes de fricción en rosca y zona de apoyo de tornillo/rosca, es necesario disponer de equipo de coeficiente de fricción con células de carga para rosca y superficie de apoyo.

En los casos que el equipo no disponga de la posibilidad de medir coeficientes de fricción de forma separada, se podrá determinar el coeficiente de fricción total según la fórmula (5).

Para conocer mejor el comportamiento a la fricción de un tornillo/tuerca, se debe conocer el coeficiente de fricción en rosca y superficie de apoyo, ya que así permitirá analizar el problema y establecer conclusiones sobre su causa.

(9) 6495,0

(8) 2

(7) 2

(6) 577,0

2

2

2

Pdd

dDD

FD

T

d

P

F

T

hob

b

bb

th

th

⋅−=

+=

⋅⋅=

⋅

−=

µ

πµ



Ensayo de coeficiente de fricción 5.3.

Ejemplo de ensayo de coeficiente de fricción



Factores que influyen en el coeficiente de fricció n 5.4.

Los lubricantes tienen la función de ajustar unos coeficientes de fricción definidos y constantes. Además de esta función, algunos lubricantes pueden ofrecer otras funciones (resistencia a la corrosión, resistencia a productos químicos, aspecto, etc.)

En la práctica, los coeficientes de fricción, así como la dispersión de sus valores, están influidos por los siguientes factores además del tratamiento de lubricación:

• Tratamiento superficial. Tipo de recubrimiento (material de tratamiento, lubricación), espesor de capa, material de recubrimiento, etc.

• Superficie de unión. Superficie dura, p.e. acero tratado, media, chapa de carrocería; superficie no recubierta, superficie blanda (aluminio), KTL, rugosidad de la superficie, etc. En el ensayo de coeficiente de fricción es importante que la superficie de apoyo cumpla las características indicadas en la norma (dureza, rugosidad, etc.). De lo contrario, los resultados pueden ser muy diferentes.

• Geometría de la cabeza del tornillo. Tornillo hexalobular, hexagonal, diámetro de la superficie de apoyo, arandela, etc.

• Rosca de la tuerca. Sin tratamiento, con tratamiento, tipo de tuerca, etc.

• Condiciones externas. Temperatura, humedad, velocidad de atornillado, etc.

Los valores de coeficiente de fricción pueden ser ajustados con el lubricante de forma que cumplan los requisitos del cliente. Sin embargo, en este trabajo pueden ocurrir problemas debido a los factores que influyen descritos más arriba. Se pueden aplicar lubricantes en fase acuosa en forma de dispersiones de ceras, aceites, lubricantes sólidos integrados (p.e. polietileno, PTFE, poliacrilato, bisulfuro de molibdeno) en el recubrimiento. Es importante que la dispersión de los resultados sea lo menor posible, para evitar valores fuera de especificación. La dispersión de valores de µ con lubricantes sólidos integrados es menor y ofrece menos problemas al montaje automático. Para un atornillado repetitivo, se consiguen mejores resultados con lubricantes sólidos integrados

Si se requiere, se pueden conseguir valores µ > 0,14 con lubricantes apropiados, o bien sin lubricación adicional. La dispersión de valores aumenta cuanto mayor es µ. Valores de µ < 0,08 son por regla general difíciles de ajustar, y no son deseables debido a la seguridad requerida contra el afloje. Generalmente, valores de µ > 0,25 producen una tensión insuficiente, por lo tanto, el tornillo no estará apretado. Riesgo de ruptura en fatiga. Valores de µ < 0,06. Se sobrepasa el límite de ruptura mínimo. Riesgo de fractura. Existen uniones roscadas con valores entre 0,06 y 0,09.

6. Recubrimientos

Los recubrimientos y lubricantes pueden contribuir a mejorar el comportamiento a la fricción y ofrecer menor dispersión de los valores de coeficiente de fricción. Debido a que durante los últimos años se han optimizado las técnicas de apriete, los recubrimientos han debido adaptarse a las nuevas exigencias. Además de la necesidad de reducir los metales pesados contaminantes (directiva europea 2000/53 “End of Life Vehicles”), tales como el Cr6+ (cromo hexavalente), elemento utilizado ampliamente en los sistemas de recubrimiento para ofrecer mayor resistencia a la corrosión, los sistemas de recubrimientos han estado en continua evolución para ofrecer mejores propiedades para satisfacer los requisitos de normas y especificaciones de la automoción.

Los sistemas de recubrimientos más comunes sin Cr6+ constan de:

o Fosfatado + tratamiento posterior o Zn o aleaciones de Zn (ZnNi, ZnFe) + tratamiento posterior o Recubrimientos no electrolíticos de láminas de zinc + tratamiento posterior

Como tratamiento posterior, existen varias combinaciones posibles:

- Lubricantes o Ceras o PTFE o MoS2, aceites



- Sellados con lubricantes integrados

o Capas inorgánicas o Capas orgánicas/inorgánicas o Recubrimientos orgánicos con lubricantes integrados

Frente a los lubricantes puros, los sellados con lubricantes integrados ofrecen resistencia a la corrosión y resistencia a la temperatura.

Los recubrimientos pueden ofrecer las siguientes propiedades:

- Resistencia a la corrosión. Protección catódica (Zn y sus aleaciones, recubrimientos de láminas de zinc). Protección por efecto barrera (orgánicos)

- Resistencia a la corrosión por contacto. Uniones con magnesio. Recubrimientos con silicatos.

- Resistencia a la temperatura. Recubrimientos de zinc-níquel, recubrimientos de láminas de zinc.

- Resistencia a productos químicos. Recubrimientos de láminas de zinc, top-coats orgánicos

- Ausencia de fragilización por hidrógeno. Solo los recubrimientos de láminas de zinc ofrecen una garantía en la eliminación de la fragilización por hidrógeno para los elementos de fijación de alta resistencia (clase de resistencia ≥ 10.9), siempre que se utilice la preparación superficial adecuada, es decir, no se debe utilizar decapados ácidos acuosos. Para ello es necesario desengrasar con desengrasantes alcalinos y eliminar el óxido o la calamina con granallado mecánico con bolas de acero.

- Adherencia

- Comportamiento frente al atornillado

o Funcionalidad (calibres) o Coeficiente de fricción o Apriete múltiple o Comportamiento al afloje con temperatura o Velocidad de atornillado

Con la técnica de recubrimiento adecuada, en especial con sistemas de recubrimiento con lubricación integrada, se puede mantener:

o Ajuste del coeficiente de fricción dentro del intervalo exigido por medio de la propia formulación del producto. Si se mantienen sus propiedades estables (viscosidad, densidad, temperatura de aplicación, etc.), la mezcla de trabajo ofrece propiedades similares durante el proceso de aplicación en continuo.

o Baja dispersión de los coeficientes de fricción. Algunos sistemas de recubrimiento centran los valores de los coeficientes de fricción en una determinada ventana.

o Menor influencia ante uniones con diferentes características (metales ligeros, KTL, superficie de apoyo). Después de numerosos ensayos e investigaciones, algunos recubrimientos ofrecen resultados más estables ante uniones con metales “problemáticos”

o Reducción de la variación debida a factores externos (temperatura, humedad). Con los sistemas de recubrimiento con lubricación integral, una vez aplicado el producto, las variaciones externas producen menores influencias perniciosas en el montaje tras tiempos de almacenamiento prolongados, a diferencia de los lubricantes puros. No obstante, se deben tener condiciones de almacenamiento adecuadas que eviten el polvo excesivo o las proyecciones de líquidos

Para ello se requiere que:

o Tecnología adecuada al estado de la técnica. Instalaciones automatizadas con controles de proceso adecuados, alarmas de seguridad ante fallos de proceso, registro de variables, instrucciones adecuadas de proceso, equipos de acondicionamiento térmico, preparación adecuada de la superficie, estado y renovación de las formulaciones, caducidad de los productos.



o Selección adecuada del tipo de recubrimiento. No todos los recubrimientos tienen las mismas propiedades.

o Ajuste de los parámetros del proceso para cada caso. Modificando las condiciones de aplicación de los procesos, se puede ajustar el coeficiente de fricción para aquellos elementos de fijación con uniones atornilladas problemáticas.

o Comprobación del coeficiente de fricción con equipo de medición del coeficiente de fricción. Es necesario evaluar el comportamiento a la fricción de las uniones atornilladas, porque no todos los elementos de fijación ofrecen el mismo comportamiento a la fricción con el mismo recubrimiento. Atención tornillos cortos, tornillos con arandela, arandela cóncava y poca superficie de apoyo!!

7. Técnicas de apriete

Para unir diferentes materiales existen diferentes técnicas (soldadura, remachado, etc.) El método más utilizado para fijar componentes es por medio de un tornillo que apriete los elementos de unión con una tuerca o directamente en un agujero roscado en uno de los componentes. Las uniones roscadas son utilizadas por su diseño no complicado, montaje, productividad, desmontado fácil, etc.. Los tornillos son apretados hasta una tensión o carga deseada para que los componentes permanezcan unidos y no se aflojen en uso. No existe un método práctico para medir la fuerza de apriete en la producción normal. Como la fuerza de apriete es una función lineal del ángulo de giro del tornillo, existe una relación directa entre la fuerza de apriete y el momento de apriete. De esta forma indirecta se puede saber si un tornillo está bien apretado. Sin embargo sólo un 10% del momento de apriete aplicado se transforma en fuerza de apriete. El resto se consume en fricción en la rosca 40% y 50% en fricción debajo de la cabeza del tornillo.

Con los métodos habituales de montaje se debe permitir que la carga varíe entre un valor máximo y un valor mínimo.

Los tornillos deben estar preparados para el Fmax, por lo tanto, es necesario que los tornillos estén sobredimensionados. Por razones funcionales se debe mantener

• Fmax = αA·Fmin

El factor de apriete αA es el valor característico del método de apriete aplicado. El factor αA depende de:

• Coeficientes de fricción en la rosca y en la superficie de apoyo

• Forma geométrica de la unión

• Proceso de montaje

Para garantizar la carga necesaria en una unión roscada, se debe calcular la dimensión mínima del tornillo. Los tornillos se aprietan al par de apriete mínimo necesario. Los diferentes métodos de apriete tienen diferentes tolerancias. Cuánto más exacto sea el método, más alto será el par de apriete. Pares de apriete mayores requieren diámetros de tornillo más grande para resistir cargas más altas. Cuanto el factor de apriete más cercano a αA = 1, más exacto será el método pero más caro será a la vez.

La razón fundamental por la que se utilizan herramientas automáticas es para reducir el tiempo del proceso de montaje. Las herramientas que permiten un montaje de alta velocidad son esenciales. Las herramientas de montaje en la industria de la automoción deben permitir el registro de datos para el control estadístico del proceso.

Apriete manual 7.1.

El apriete manual con llave fija no debe utilizarse para uniones importantes. La dispersión es alta incluso con montadores experimentados. La experiencia demuestra que con llaves fijas convencionales, solo tornillos hasta M14 clase 8.8 y hasta M10 clase 10.9 quedan suficientemente apretados al límite elástico. El apriete manual de tornillos de diámetros más largos requiere longitudes de llave más grandes.



Herramientas de montaje 7.2.

7.2.1. Atornilladoras inalámbricas

Son herramientas portátiles que permiten llegar a donde no existe posibilidad de llevar un cable, o por su acceso es complicado utilizar otro tipo de herramientas. Pueden ser atornilladoras de impacto con batería o acumulador recargable.

El par de apriete máximo se consigue después de 6 a 10 segundos. Su desventaja es el ruido que generan y baja precisión. Los fabricantes disponen de tablas y recomendaciones para el montaje. Los pares de apriete aplicados deben comprobarse con una llave dinamométrica.

7.2.2. Atornilladoras de impacto

Las atornilladoras de impacto tienen el mismo principio de funcionamiento que un martillo que golpee una llave fija. En el caso de una llave de impacto accionada por motor de aire, el martillo es la masa combinada del rotor y el mecanismo de impacto que libera la energía cinética. Se producen dos impulsos por vuelta.

Las atornilladoras de impacto poseen alta capacidad en comparación a su peso y tamaño. Por el contrario, tienen un nivel alto de ruido y es difícil medir el par de apriete aplicado.

Son unas herramientas aplicables para aquellos usos que no requieren un alto grado de exactitud. Se utilizan para desmontaje de tornillos en la industria.

7.2.3. Atornilladoras de impulsos

La herramienta de impulsos hidráulica tiene todas las ventajas de una atornilladora de impacto, que son velocidad, fuerzas de reacción bajas. El apriete se produce de forma hidráulica (golpe blando) y se regula por medio de un tornillo de regulación. Los pares de apriete que se pueden obtener son altos y ofrecen buena repetibilidad.

Las herramientas de impulsos se utilizan ampliamente debido a su velocidad, portabilidad, bajo nivel de ruido y de vibraciones. Puede tener su aplicación en el montaje final de la industria del automóvil, si bien su limitación es que no permite el registro de los valores de pares de apriete aplicados (medición dinámica).

7.2.4. Atornilladoras eléctricas con control electr ónico de par y ángulo

En las líneas de producción de la automoción se utilizan las atornilladoras eléctricas, ya que además de permitir el control del proceso de montaje, permiten el registro de los valores de par de apriete y ángulo. Se trata de atornilladoras con motor eléctrico de corriente continua con un transformador. Son sistemas complejos que permiten la medición dinámica del par de apriete y el ángulo.

Estos sistemas tienen especial aplicación en la industria de la automoción, que requiere un control del proceso de montaje y unos registros de calidad que mantener (sistema de calidad).

7.2.5. Montaje con control de par de apriete

Es el método más utilizado ampliamente. Es el método de montaje apropiado para desmontaje. Se establecen los pares de apriete necesarios teniendo en cuenta que no se supere el límite elástico del tornillo (fricción baja) y que llegue a la carga mínima (fricción alta). Para el montaje con control de par de apriete se considera un αA = 1,8. Las pistolas de impacto y los husillos de instalación de tornillos solo pueden ser ajustados en ensayos con la pieza original.

Los factores de apriete son tan altos dentro del límite elástico que no se recomienda esta técnica para uniones atornilladas con grandes solicitaciones. Esto es debido a que la variación de la fricción afecta mucho. A pesar de tener un momento de apriete repetitivo, la fricción influye en la variación del par de apriete y a su vez, produce una mayor aún mayor en la fuerza de apriete (precarga). Por lo tanto, la unión atornillada debe estar sobredimensionada para evitar un apriete excesivo del tornillo, o bien que la unión esté suficientemente apretada. El apriete se puede realizar con llaves dinamométricas, atornilladoras de con señal de paro (reguladas con aire comprimido), atornilladoras con parada, atornilladoras de precisión con medición del par de apriete y atornilladoras de impacto.



7.2.6. Montaje con control de ángulo

El método de control par/ángulo es un método indirecto de medida de longitud, ya que la deformación del tornillo sobre el paso de la rosca es directamente proporcional al ángulo de giro. Primero se aprieta al tornillo hasta que las interfaces estén próximas. El ángulo de rotación no se mide hasta que se llegue al par de apriete umbral. Se mide el par de apriete y el ángulo de giro. La práctica ha demostrado que esta técnica solo alcanza su más alta precisión cuando el tornillo está apretado al límite elástico. El ángulo de rotación se determina sobre las piezas originales para detectar la resiliencia del diseño. Con un ángulo de rotación adecuado se evita la rotura de del tornillo o la sobrecarga. Cuando se excede el límite elástico del tornillo se limita su reutilización. El montaje con control de par/ángulo es la técnica utilizada ampliamente en el sector del automóvil.

Especial relevancia tiene el montaje por encima del límite elástico , en el que se aprovecha al máximo las características de diesño del tornillo para longitudes de apriete de 1d a 4d. Esto permite que ante una variación del par de apriete, la variación de la fuerza de apriete es mucho menor, y por lo tanto, ofrece uniones atornilladas más seguras. Cabe recordar que este método limita la reutilización del tornillo.



7.2.7. Montaje con control de límite elástico

El límite elástico sirve aquí como variable de control para la carga de montaje. Independientemente de la fricción en la superficie de apoyo, se aprieta el tornillo hasta el límite elástico. Al igual que el método de par/ángulo, la unión se debe apretar a un par ajustado. El punto de límite elástico se identifica midiendo el par y el ángulo durante el apriete y determinando su cociente, equivalente a la pendiente de una tangente sobre la curva par de apriete/ángulo. Cuando se produce la deformación plástica, baja el coeficiente diferencial. La elongación plástica que sufre el tornillo es muy pequeña, por lo tanto su reutilización se ve escasamente afectada.

7.2.8. Comparación entre procesos de apriete

Efecto de la técnica de apriete en la dispersión de la carga de montaje y consecuentemente, en el requisito de diámetro para clase 12.9. Se ve claramente que si se utiliza la técnica de apriete apropiada, se puede reducir el diámetro del tornillo. Además, se tendrá mayor seguridad en la unión atornillada.

A) Atornilladora de impacto B) Husillo de instalación de tornillo C) Atornilladora o eje de instalación de tornillos de precisión D) Husillo de instalación de tornillos con control de límite elástico



7.2.9. Tabla descriptiva de tipos de apriete

Según VDI 2230, se establecen las características de los diferentes tipos de apriete y sus factores de apriete, así como su variación.

ααααA Variación Proceso de apriete Proceso de ajuste Obse rvaciones

1,2 a 1,4 ± 9% a 17% Apriete con control de límite elástico

Entrada del coeficiente de par de apriete/ángulo de giro relativo

1,2 a 1,4 ± 9% a 17% Apriete con control de ángulo Determinación experimental del par de apriete y el ángulo de giro (pasos)

1,2 a 1,6 ± 9% a 23% Apriete hidráulico Ajuste por medición de la longitud o de la presión

1,4 a 1,6 ± 17% a 23% Apriete con control de par de apriete con llave dinamométrica, llave de señal o atornilladora de husillo de precisión con medición dinámica de par de apriete

Determinación experimental de los pares requeridos sobre la pieza original, por ejemplo, midiendo la elongación del tornillo

1,6 a 2,0 ± 23% a 33% Apriete con control de par de apriete con llave dinamométrica, llave de señal o atornilladora de husillo de precisión con medición dinámica de par de apriete

Determinación del par de apriete requerido por estimación del coeficiente de fricción (condiciones de la superficie y de la lubricación)

1,7 a 2,5 ± 26% a 43%

2,5 a 4 ± 43% a 60% Apriete con llave de impacto o impulsión

Ajuste de la atornilladora sobre el par de apriete posterior,

Comportamiento stick-slip 7.3.

7.3.1. Generalidades

El comportamiento stick-slip aparece cuando:

• Cuando el coeficiente de fricción total es alto µ > 0,25, p. ej. Con uniones contra KTL • Con uniones con superficie de apoyo cóncava (Außenträger) • Variaciones en la superficie (ranuras en el tornillo, acumulaciones de pintura, etc.)

El comportamiento stick-slip tiene lugar bajo condiciones desfavorables

• Geometría de la cabeza del tornillo • Acumulaciones de pintura (en el tornillo o en la superficie de apoyo) • Ranuras

El efecto stick-slip puede evitarse con la técnica de montaje adecuada (apriete en dos etapas con apriete final lento). En general, la lubricación puede ayudar a disminuir este efecto, en especial lubricantes integrados.

El apriete en dos etapas tiene lugar de la siguiente forma:

• Primer apriete a alta velocidad 200-400 rpm • Paro del husillo • Segundo apriete a baja velocidad al par de apriete final con control del ángulo



Apriete sin efecto stick-slip

Apriete con efecto stick-slip

Para evitar el stick-slip se aconseja lo siguiente:

Disminuir la fricción, utilizar lubricante o aumentar la cantidad de lubricante

• Disminuir la superficie o integrar el lubricante en la capa de la superficie • Fosfatar la superficie y aceitar • Mejorar la geometría de la superficie, p.e. superficie más grande por medio de superficie convexa

Disminuir la velocidad de deslizamiento

• Cambiar la frecuencia propia y la frecuencia de excitación • Disminuir la velocidad de deslizamiento

Husillo

• Configurar accionamiento rígido (husillo), para que se consiga una frecuencia propia más alta • Eliminar el juego en el accionamiento



Disminuir el espesor de capa y mejorar la adherencia del sistema de recubrimiento

• En los sistemas de láminas de zinc multicapa pero también en las capas de pintura del otro elemento de unión ocurren desplazamientos transversales como consecuencia de los esfuerzos de cortadura

• Los nuevos recubrimientos sin Cr6+ permiten una mejora del comportamiento stick-slip, ya que se han diseñado de forma que no perjudiquen la funcionalidad de la pieza

• Se consigue mejores resultados con lubricantes secos integrados en el producto (top-coat con lubricante integrado)

Existen varias soluciones disponibles y debe investigarse más, ya que su utilización en la producción en serie se ha realizado recientemente. Algunos recubrimientos sin Cr6+ utilizados en la automoción son:

• Zn electrolítico + pasivado sin Cr6 + sellado con lubricante integrado • ZnFe electrolítico + pasivado sin Cr6 + sellado con lubricante integrado • ZnNi electrolítico + pasivado sin Cr6 + sellado con lubricante integrado • Recubrimiento de láminas de zinc + sellado orgánico-inorgánico con lubricante integrado

Mediante el ajuste de parámetros del proceso se pueden minimizar los efectos del stick-slip y consecuentemente mejorar el comportamiento en el montaje.

7.3.2. Método de estudio del comportamiento stick-s lip

La norma VDA 235-203 establece un método de estudio del comportamiento stick-slip. Establece condiciones cerca de la práctica en uso para estudiar uniones atornilladas y evaluar los sistemas de recubrimiento. No es válido para el control en serie de las piezas, pero sí como método de investigación de nuevos recubrimientos. Se utilizan tornillos con arandela con superficie de apoyo cóncava (Außenträger). Se utiliza superficie de aluminio recubierta con KTL

Se utiliza una herramienta de apriete automático con husillo que permite una alta velocidad de apriete (>200 rpm), paro y luego apriete final lento

• 200 rpm • Paro de 2 segundos • Apriete final a 20 rpm

La norma VDA 235-203 también establece las condiciones de ensayo de tornillos en condiciones de temperatura alta (150ºC), por ejemplo para el estudio del afloje con recubrimientos orgánicos (ej. PTFE) u otros lubricantes en otros recubrimientos. Esta característica es crítica para tornillos con cargas transversales. Para ello se calculan los pares de afloje con temperatura alta. Para ello es necesario bloque de ensayo (material C45 bonificado a 800 MPa), rectificado a lo largo con rugosidad Ra = 0,8 a 1,6 µm. El conjunto debe ser desengrasado completamente. El momento de apriete a aplicar es del 70% de Rp0,2 (0,2% del límite elástico aparente) del tornillo y no debe sobrepasarse el límite inferior de µtot = 0,08.

Primero se aprieta a temperatura ambiente, con marcado de la posición de la cabeza del tornillo, luego el conjunto se calienta en un horno a la temperatura de ensayo. Tras extraerlas del horno, se comprueba si ha habido afloje. Inmediatamente después se mide el par de afloje. Teniendo en cuenta las relaciones entre fuerza de apriete, momento de apriete, y el resto de parámetros del tornillo, se determina la relación entre el momento de afloje y el momento de apriete:

A

L

M

M

También se establece el procedimiento de estudio de aprietes múltiples sobre los mismos elementos constructivos (tornillo, arandela, superficie de apoyo).



8. Bibliografía

K. H. Kübler, W. J. Mages. Handbuch der hochfesten Schrauben, 1986

K. Kayser. High-tensile bolted joints. Design Parameters, Assembly, Locking features

KAMAX Schraubenbrevier, 2006

DSV Deutscher Schraubenverband. Statusreport 2005

R. Kellermann, H.C. Klein. Untersuchungen über den Einfluss der Reibung auf Vorspannung und Anzugsmoment von Schraubenverbindungen

9. Normas y especificaciones relacionadas

01 50 005/--C Elements de fixation. Contrôle du coefficient de frottement

C10 00 54 Screws studs nuts. Aptitude to friction test method

DIN 946 (anulada) Bestimmung der Reibungszahlen von Schrauben und Muttern unter festgelegten Bedindungen

GME 00150 Bolted joints

UNE-EN ISO 16047 Elementos de fijación – Ensayo de par de apriete/fuerza de apriete

VDI 2230 Systematische Berechnung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen Zylindrische Einschraubverbindungen

VDA 235-101 Schmieren von mechanischen Verbindungselementen mit Gewinde

VDA 235-203 Verschraubungsverhalten / Reibungszahlen. Praxis- und montageorientierte Prüfung

VW 011 10 Schraubenverbindungen. Konstruktion, Montage und Prozesssicherung

VW 011 26-1 Fügetechnik. Anziehdrehmomente für Schraubenverbindungen

VW 011 26-2 Fügetechnik. Anziehdrehmomente für überelastische Schraubenmontagen

VW 011 29 Grenzwerte der Reibungszahlen. Mechanische Verbindungselemente mit metrischem ISO-Gewinde

WZ100 Steel Metric Threaded Fasteners Torque/Clamping Force Performance

WZ101 Steel Metric Threaded Fasteners Torque/Clamping Force Performance



10. Anexos

Coeficientes de fricción en la industria de la aut omoción 10.1.

Tabla de coeficientes de fricción exigidos por la industria de la automoción europea y norteamericana

Coeficientes de fricción de algunos recubrimientos 10.2.

2013 Guía de las uniones atornilladas

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