CAPITULO 5 TORNILLOS PROYECTO DE ELEMENTOS DE MQUINA

CAPITULO 5 TORNILLOS PROYECTO DE ELEMENTOS DE MÁQUINA ING. JULIO CAMPOS PAIZ

Ø Los tornillos y los pernos se utilizan para unir entre si las diversas partes de una máquina. El proyectista debe conocer perfectamente los diferentes tipos de roscas de uso comercial así como el método de especificar las tolerancias deseadas para el montaje entre tornillos y tuerca. Debe entender las razones del aumento en la resistencia a la fatiga obtenido por la aplicación de una tensión inicial en el perno. En las máquinas se utilizan también tornillos para obtener movimientos de traslación y para ejercer fuerzas.

Tipos de Uniones Roscadas Perno y tuerca. Los espesores de los elementos a unir no son muy grandes y permiten hacer agujeros pasantes.

Tornillo. El espesor de uno de los elementos a unir permite hacer un agujero pasante y en el otro se puede hacer una rosca (o enroscar el tornillo).

Espárrago. Se emplean cuando no existe espacio para la cabeza del perno o no es posible el taladrado de la rosca o el agujero pasante para el perno.

Tipos de roscas

Unificada y Nacional Americana Ø La rosca unificada es de uso general para pernos y espárragos. Esta rosca representa el acuerdo de las comisiones de normalización de Canadá, Gran Bretaña y Estados Unidos. Ha venido a sustituir a la forma de rosca nacional americana que fue la anteriormente utilizada como norma en Estados Unidos. Los pernos y tuercas de los dos sistemas son intercambiables. Ambos sistemas difieren únicamente en pequeños detalles, principalmente en los convenios en cuanto a tolerancia. El ángulo admitido para la rosca es de 60°. La forma básica de la rosca es la indicada en la figura siguiente, aunque las roscas reales se hacen con el fondo redondeado. La cresta es plana en la rosca nacional americana y puede ser plana o redondeada en la unicada.

Clases Unificada Ø Las roscas de tipo. unificado están divididas en Ias clases 1 A, 2 A y 3 A para roscas exteriores y las 1 B, 2 B y 3 B pára roscas interiores. Las clases 1 A y 1 B se especifican cuando son necesarios tornillos y tuercas con Ias máximas tolerancias y Ia máxima holgura después del montaje. El diámetro efectivo de Ia tuerca de máximo metal corresponde al tamaño básico y el diámetro eficaz del torníllo de máximo metal es menor que el básico

Clases Unificada Ø Las clases 2 A y 2 B son similares a Ias 1 A y 1 B, pero con menores tolerancias y menor holgura despues del montaje. Estas clases son satisfactorias en Ia inmensa mayoría de Ios tornillos. Las clases 3 A y 3 B tíenen Ias tolerancias mínimas y ho. Igura nula para mon taje en el estado de máximo metal en el que tanto tornillo como tuerca tienen el diámetro efectivo básico. En Ia figura 5 4 se representa este montaje. Estas clases se destinan a aplicaciones en Ias que son esenciales el ajuste y Ia precisión. Ø Si se desea, el torníllo puede ser de un tipo y Ia tuerca de otro. Ø

Clases Nacional Americana Ø Ø Estas roscas se dividen en las clases 2 y 3, tanto para tornillos como para tuercas. La clase 2 tiene Ias máximas tolerancias para tornillo y tuerca, pero no existe holgura para un montaje a máximo metal como se indica en Ia figura 5 4. La clase 3 tiene tolerancias más reducidas y produce ajustes más exactos en el montaje. En el estado de máximo metal no existe holgura entre tornillo y tuerca como indica la figura 5 4. Debe observarse que Ias roscas de tipo unificado de clase 2 A y 2 B tienen holguras pero Ia clase 2 de tipo nacional americano no Ia tiene.

Rosca Whitworth Ø La rosca Whitworth, representada en la figura anterior, que tiene un ángulo de 550, fue anteriormente utilizada como norma en Gran Bretaña.

Rosca Métrica Ø El resto de los países del mundo han adoptado la rosca métrica internacional. Aunque el ángulo es de 60°, desafortunadamente esta rosca no es intercambiable con Ia unificada. Aparentemente, aún está muy lejano un sistema universal de roscado de tornillos.

Algunas relaciones métricas p : Paso de la rosca (mm). ØØ d: Diámetro exterior (mm). ØØ d 1: Diámetro interior [mm] d 2: Diámetro medio [mm] d 3: Diámetro de fondo del tornillo [mm] h: Altura del perfil práctico [mm] Algunas relaciones: d 1 = d – 0, 0825 p d 2 = d – 0, 06495 p h = 0, 54126 p

Rosca Acme y otras Ø Para tornillos de guia y transmisión de potencia se emplea mucho Ia rosca Acme indicada en Ia figura siguiente, con un ángulo interior de 29°. Las proporciones normalizadas de Ia rosca para tubos de Ia American National son Ias dadas en Ia figura siguiente. La conicidad juntamente con el fondo y cresta planos y más peque ños ayudan a producir una junta hermética a Ios fluidos. Las roscas cuadradas y en diente de sierra indicadas en las figuras se utilizan limitadamente para transmisión de energia.

Principales dimensiones Ø Se llama diámetro efectivo del tornillo al de un cilindro imaginario coaxial con él que corta a la rosca a tal altura que la anchura de Ia rosca es igual a Ia del espacio libre. Véase la figura. La distancia medida paralelamente al eje desde un punto de un hílo de rosca al punto correspondiente del hilo adyacente se Ilama paso. La rosca obtenida cortando sobre el cilindro una sola muesca heli coidal se llama rosca simple. Si el ángulo de la hélice es algo mayor y cabe una segunda hélice entre las muescas de Ia primera, se forma una rosca doble.

Principales dimensiones

Roscas Normalizadas Ø La tabla siguiente da un resumen de los diversos tamaños y pasos para roscas de tipo unificado y nacional americano. Como tamaño de un tornillo se indica el diámetro mayor o el de Ia barra sobre Ia que se ha tallado Ia hélice. Debe observarse que los tamanos inferiores a 6, 35 mm se designan por números. En general, existen dos pasos, grueso y fino, posibles en cada diámetro. Para ciertos tamaños; existe también una serie de pasos extrafinos

Tolerancias Ø Como es imposible fabricar las piezas exactamente de acuerdo con un tamaño especificado, se han establecido tolerancias respecto a las dimensiones de tornillos y tuerca. Tales tolerancias se i. Iustran en Ias figuras correspondientes. Cuando la dimensión medida de una pieza cae dentro de Ia zona de tolerancia, se acepta como si cumpliera exactamente Ias especificaciones en cuanto a dimensiones.

Término metal máximo y Mínimo Ø El término metal máximo corresponde al tornillo de mayor diámetro eféctivo: y Ia tuerca de menor diámetro efectivo dentro de Ia zona de tolerancia. En forma similar, metal mínimo se refere al tornillo de menor diametro efectivo y Ia tuerca de mayor diametro efectivo. La tolerancìa es Ia diferencia entre los diámetrós efectivos de tornillo y tuerca cuando ambas piezas están en Ias condiciones de metal máximo.

En general, Ia calidad de un producto es más elevada cuanto menores son Ias zonas de tolerancia. Sin embargo, los costos de fabrícación se elevan a medida que Ias zonas de tolerancia se hacen más pequenas.

Una variación del angulo de rosca de un tornillo produce un cambio de su diámetro efectivo. Un tornillo y tuerca construidos con ligeras diferencias de paso pueden montarse si Ia longitud de unión es bastante limitada y si existe diferencia en el diámetro efectivo de ambas piezas. Ø La tolerancia en el diámetro efectivo permitida por Ias normas debe absorber los errores de todas clases. Deben incluírse los efectos de variación de ángulo y paso así como Ias discrepancias en el propio diámetro efectivo. Ø

SIMBOLOGÍA Ø Ø Ø Ø A continuación se dan ejemplos de símbolos de identificación aprobados para su empleo en dibujos, herramientas y especificaciones. (a) Rosca unificada, serie de rosca gruesa, diámetro exterior 1/2”, 12 hilos por pulgada, ajuste de clase 2 A: 1/2” 12 UNC – 2 A (b) Rosca tipo nacional americano, serie rosca gruesa, 1/2” de diámetro, 13 hilos por pulgada, ajuste de clase 2. 1/2” 13 NC – 2 (c) Rosca de tipo unificado, serie rosca fina, diámetro interior 1”, 12 hilos por pulgadas, ajuste clase 1 B: 1” – 12 UNF – 1 B

TORNILLO DE POTENCIA

Tornillo de Potencia Ø Puede emplearse un tornillo de empuje para elevar pesos o ejercer fuerzas en Ias máquinas. El peso W indicado en Ia figura siguiente y en el que se atornilla Ia rosca soporte, puede elevarse o bajarse mediante el giro del tornillo, suponiendo, claro está, que se evita gire el peso con el tornillo. A continuación determinaremos una expresión para encontrar el valor del par necesario para elevar Ia carga.

La fuerza total sobre Ias roscas puede representarse por una fuerza única Fn, fig. a, Ia cual es normal a Ia superficie de Ia rosca. La fuerza Fn es Ia diagonal del paralelepípedo. La cara ABEO es una sección axial del tornillo. La proyección de Fn sobre este plano forma un ángulo de o sea Ia mitad del ángulo de la rosca. La cara ACHO está situada sobre el plano tangente al cilindro primitivo. La proyección de Fn sobre este plano forma un ángulo respecto del ángulo de Ia hélice a, calculado para el radio primitivo del tornillo. La longitud de esta componente es Fn cos n tal como se indica en el dibujo (a). Tiene Ias componentes vertical y horizontal indicadas en dicho dibujo.

El desarrollo de Ia hélice del tornillo viene a ser un plano inclinado con ángulo igual al ángulo de Ia hélice del torníllo. Por tanto, el bloque triangular más bajo representa la rosca, la cual levanta el peso cuando se empuja hacia laizquierda mediante la fuerza F. Ø La fuerza total de rozamiento sobre la rosca es µ 1 Fn donde µ 1 es el coeficiente de rozamiento de la rosca. La fuerza µ 1 Fn tiene las componentes vertical y horizontal representadas en la figura. Ø La reacción vertical hacia arriba de la base es igual al peso W. Durante el movimiento hay una fuerza de rozamiento que se opone al movimiento de valor µ 2 W, donde µ 2 es el coeficiente de rozamiento para la base o collar. Ø

Ø Se F la fuerza límite que produce el movimiento hacia la izquierda. La suma de las fuerzas verticales en el dibujo da:

Ø Todas las fuerzas que actúan sobre la rosca, así como la F, actúan a una distancia del eje equivalente al radio efectivo de la rosca rc del centro de la superficie del anillo. El par necesario para elevar la carga se encuentra multiplicando las fuerzas horizontales por los radios correspondientes. Por lo tanto,

Sustituyendo los valores anteriores de Fn se obtiene,

Ø La ecuación anterior dá el valor del par necesario para elevar la carga cuando se tiene en cuenta el rozamiento tanto en el tornillo como en el collar. Ø A veces, el collar se compone de un rodamiento antífricción en cuyo caso µ 2 puede ser suficientemente pequeño para ser despreciable. Entonces las ecuaciones contienen solamente los términos en µ 1.

La relación entre y el Angulo de roscas se obtiene como sigue

Sustituyendo esto en la ecuación da: Para tornillos normalizados con valores pequeños para el ángulo de hélice α Ia ecuación anterior indica que , tiene casi e. I mismo valor que. Cuando esto es así, puede sustituirse en Ias ecuaciones anteriores por Ia mitad del ángulo de rosca.

Ø Los cálculos indican que el par necesario para producir una carga W en el tomillo para roscas normalizadas del ángulo de 60° y coeficiente de rozamiento de 0, 15 puede encontrarse de forma aproximada por Ia ecuación anterior, donde d es el diámetro nominal o exterior del tornillo. Para llegar esa ecuación se ha tomado como radio r Ia distancia desde el eje hasta el centro de Ia superfcie de apoyo del collar.

Ø Si el peso se está haciendo bajar por aplicación de Ia fuerza F hacia Ia derecha en Ia figura, se invierten el signo de F y los de todos Ias términos de fricción. El par necesario para hacer bajar Ia carga en tal caso vale:

Ø Si el ángulo de la hélice es suficientemente grande, el tornillo retrocederá, o sea, el peso hará girar el tornillo. El plano inclinado de Ia figura se moverá hacia Ia derecha y Ia fuerza F debe actuar hacia Ia izquierda para conservar el movimiento uniforme. La ecuación del par correspondiente para el retroceso del tornillo es:

Rendimiento mecánico Si pudiera eliminarse por completo el rozamiento tanto en el tornillo como en e. I apoyo, Ia ecuación (9) indica que el par necesario para elevar la carga seria, Ø T' = rt W tg Ø EI rendimiento de un tornillo de empuje con collar de fricción cuando está elevando la carga es igual a Ia relación de los pares de Ias ecuaciones (9) y (14). Ø , Es decir, Ø rendimiento = T'/ T (l 5) Ø

Ø Si el rozamiento en el collar es despreciable, se obtiene Ia siguiente ecuación que da el rendimiento del tornillo solamente Ø rendimiento = Ø El rendimíento dado por Ia ecuación (16) se ha presentado en Ia figura siguiente para diversos valores de µ 1. Debe observarse que el tornillo de empuje tiene un rendimiento mecánico muy bajo cuando el ángulo de Ia hélice se aproxima a 0° o a 90°. (16)

Ø El rozamiento de Ias hilos de rosca y entre la tuerca y el apoyo depende de ciertos factores, como acabado de Ia superficie, grado de engrase, alineamiento, material, chapados, irregularidades y otros, por lo tanto, Ios cálculos para Ias fuerzas producidas en el tomillo variarán al afectar estos factores el coeficiente de rozamiento.

Rozamiento en los tornillos Ø Los artículos publicados sobre los experimentos de rozamiento en roscas de tornillos indican que los valores siguientes pueden ser una buena estimación para el coeficiente de rozamiento.

Rozamiento en los tornillos Ø Los valores anteriores se aplican a Ias roscas lubrificadas con aceite mineral sin más control especial sobre el acabado superficial que el que se encuentra normalmente bajo condìciones de una gran producción.

Materiales y Métodos de fabricación Ø Los tornillos y tuercas pueden fabricarse en máquinas de roscar automáticas empleando como materia prima barras de Ias mismas dimensiones que Ia cabeza o pueden formarse Ias cabezas en frio o en caliente a partir de barras del mismo diámetro que Ia espiga. En Ia tabla siguiente se indica cierto número de aceros característicos para tornillos.

Ø Las barras de fácil tallado son Ias preferidas para las máquinas automáticas de hacer tornillos porque Ia viruta se rompe en corto y como resultado existe menos peligro de estropear los elementos mecánicos de la máquina. Estas ventajas están indicadas por los elevados índices de mecanizabilidad de estos materiales. Los aceros 1112 y 1113 son aceros Bessemer de alto contenido en azufre y fósforo; los 1117 y 1137 son aceros de horno abierto con alto contenido de manganeso.

Ø Los tornillos de acero aleado se emplean para condiciones de servicio severas en que son necesarias propiedades de alta resistencia y ductilidad. Los tornillos de aceros aleados sufren usualmente un tratamiento térmico para aprovechar al máximo Ias propiedades del material

Ø Los tornillos torneados tienen generalmente buenas propiedades en cuanto a control de dimensiones y falta de excentricidad entre cabeza y espiga. El roscado se obtiene como una de las operaciones de Ia máquina de hacer tornillos. De este método resulta un considerable desperdicio de material, ya que Ia espiga ha de obtenerse de un material que originalmente tenía el mismo tamaño que Ia cabeza. Como consecuencia de esta pérdida, Ia máquina automática de hacer tornillos se utiliza ampliamente para tornillos de diametros de aproximadamente 6 mm o menos.

Relajación Ø Los pernos que unen piezas pesadas operan bajo condiciones de alargamiento constante. En el funcionamiento a alta temperatura, Ia tensíón inicial disminuirá hasta que, después de un tiempo suficientemente largo, Ia junta ya no quedará apretada. Este fenómeno se conoce con el nombre de relajación. La tensión inicial debe ser lo suficientemente grande para mantener apretada Ia junta al final de Ia vida esperada para el montaje. Rigen condiciones similares para Ios ajustes en caliente o a presión en funcionamiento a alta temperatura.

MUCHAS GRACIAS jucapaiz 5@gmail. com