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Guía de las uniones atornilladas rosca métrica ISO. Descripción de ensayos de coeficiente de fricción. Descripción de diferentes procesos de uniones atornilladas

Guía de las uniones atornilladas rosca métrica ISO. Descripción de ensayos de coeficiente de fricción. Descripción de diferentes procesos de uniones atornilladas

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2013 Guía de las uniones atornilladas Document Transcript

  • 1. Erik Galdames3ª Edición Junio, 2013
  • 2. Coeficiente de fricción – Guía de las uniones atornilladas3ª Edición Página 2 de 25Índice1. Introducción......................................................................................................................................32. Elementos de fijación roscados........................................................................................................32.1. Definiciones.............................................................................................................................32.2. Clase de resistencia de los tornillos........................................................................................43. Uniones atornilladas.........................................................................................................................43.1. Tipos de uniones atornilladas .................................................................................................43.1.1. Uniones blandas.................................................................................................................43.1.2. Uniones duras o rígidas......................................................................................................43.2. Cálculo de uniones atornilladas..............................................................................................53.3. Conceptos básicos de las uniones atornilladas......................................................................53.3.1. Fuerza de apriete................................................................................................................53.3.2. Par de apriete y ángulo de giro ..........................................................................................53.4. Métodos de medición del par de apriete.................................................................................63.4.1. Mediciones estáticas ..........................................................................................................63.4.2. Mediciones dinámicas ........................................................................................................64. Coeficiente de fricción ......................................................................................................................64.1. Normas y especificaciones del coeficiente de fricción............................................................84.2. Símbolos utilizados según ISO 16047....................................................................................95. Determinación del coeficiente de fricción.........................................................................................95.1. Fórmula de Kellermann-Klein .............................................................................................. 125.2. Coeficiente de fricción en rosca y cabeza ........................................................................... 125.3. Ensayo de coeficiente de fricción ........................................................................................ 135.4. Factores que influyen en el coeficiente de fricción.............................................................. 146. Recubrimientos.............................................................................................................................. 147. Técnicas de apriete ....................................................................................................................... 167.1. Apriete manual..................................................................................................................... 167.2. Herramientas de montaje..................................................................................................... 177.2.1. Atornilladoras inalámbricas ............................................................................................. 177.2.2. Atornilladoras de impacto ................................................................................................ 177.2.3. Atornilladoras de impulsos .............................................................................................. 177.2.4. Atornilladoras eléctricas con control electrónico de par y ángulo ................................... 177.2.5. Montaje con control de par de apriete............................................................................. 177.2.6. Montaje con control de ángulo ........................................................................................ 187.2.7. Montaje con control de límite elástico ............................................................................. 197.2.8. Comparación entre procesos de apriete ......................................................................... 197.2.9. Tabla descriptiva de tipos de apriete............................................................................... 207.3. Comportamiento stick-slip.................................................................................................... 207.3.1. Generalidades ................................................................................................................. 207.3.2. Método de estudio del comportamiento stick-slip ........................................................... 228. Bibliografía..................................................................................................................................... 239. Normas y especificaciones relacionadas ...................................................................................... 2310. Anexos...................................................................................................................................... 2410.1. Coeficientes de fricción en la industria de la automoción.................................................... 2410.2. Coeficientes de fricción de algunos recubrimientos ............................................................ 24
  • 3. Coeficiente de fricción – Guía de las uniones atornilladas3ª Edición Página 2 de 251. IntroducciónEsta guía sobre uniones atornilladas tiene como propósito presentar al lector una introducción sobre las unionesatornilladas, principalmente en el sector de automoción, el coeficiente de fricción de las uniones atornilladas derosca métrica, las técnicas de apriete de uniones atornilladas utilizadas y un resumen de las propiedades de losrecubrimientos 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 fórmulaspara el cálculo de uniones atornilladas. Los datos presentados aquí son experimentales y son fruto de laexperiencia compartida de varios años con otras empresas y asociaciones, y pueden ser de guía tanto como lapersona interesada en acceder por primera vez a este tema como para aquellos profesionales que utilizarla comoconsulta. La bibliografía en la que está basado este documento está fuertemente consolidada en la industria yproviene de fuentes fiables con años de experiencia en el sector, y cuyas directrices se siguen en la industria dela automoción desde varios años. El propósito es facilitar al lector una introducción a las uniones atornilladas, suscaracterísticas, su problemática, así como una revisión de los recubrimientos actuales, que además de ofreceruna buena resistencia a la corrosión, tienen como objetivo cumplir con los requisitos de montaje de losconstructores de automóviles.Esperamos que su lectura sea grata y permita despertar el interés del lector y que profundice en esta interesantemateria. También desearíamos cualquier comentario o sugerencia para mejorar o corregir este documento y quenos permita en un futuro revisarlo y aportar más información útil al lector.2. Elementos de fijación roscadosDefiniciones2.1.Coeficiente de fricción Número adimensional directamente proporcional a la fuerza de rozamiento. Es proporcionalal momento de apriete e inversamente proporcional a la carga (tensión)Coeficiente de fricción bajocabeza del tornilloCoeficiente de fricción producido bajo la cabeza de apoyo del tornillo o tuerca durante elaprieteCoeficiente de fricción enroscaCoeficiente de fricción producido en la rosca de los elementos de fijación en unión durante elaprietePar de apriete, momento deaprieteConjunto 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, superficiede apoyo, etc.)Carga, tensión, fuerza deaprieteFuerza axial que actúa en el vástago del tornillo o compresión actuante en la superficie fijadadurante el aprieteCarga de prueba Fuerza aplicada según norma ISO 898-1, ISO 898-2 o ISO 898-6. En el ensayo de carga deprueba se somete la pieza a una fuerza determinada y posteriormente al ensayo se mide lalongitud de la pieza. La pieza debe volver a su forma original, dentro de un intervalo detoleranciaCarga de rotura Fuerza máxima antes de la ruptura del tornilloCarga de prueba 0,2% Fuerza aplicada en la que la deformación permanente es del 0,2% después de que se haeliminado la carga aplicadaCarga al límite elástico Límite del comportamiento elástico, a partir del cual la deformación es plásticaPar de apriete al límiteelásticoPar de apriete aplicado para conseguir llevar al tornillo al límite elásticoÁngulo de giro Ángulo de giro del apriete con relación a una tensión determinada
  • 4. Coeficiente de fricción – Guía de las uniones atornilladas3ª Edición Página 2 de 25Clase de resistencia de los tornillos2.2.La clase de resistencia de los tornillos según ISO 898-1 viene definida en tablas y está marcada en la cabeza delos tornillos convencionalmente.La resistencia a la tracción es la resistencia al estiramiento ocasionado por la fuerza de apriete que se producedurante 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 al0,2%) y la resistencia a la tracción. Ej. 640/800 = 0,8; 0,8x10 = 8Las dos cifras separadas multiplicadas por 10 nos dan el valor del límite elástico aparente en N/mm2: Ej. 8x8x10= 640 N/mm2Así tenemos que 8.8 significa resistencia a la tracción 800 N/mm2(8x100 = 800 N/mm2); 10.9 significa resistenciaa la tracción de 1.000 N/mm2; 12.9 significa resistencia a la tracción de 1.200 N/mm2Designación de resistencia de un tornillo3. Uniones atornilladasSon uniones que constan de un tornillo, una arandela, una o dos superficies planas, una tuerca, o bien un tornillodirectamente en un bloque con agujero ciego. Las uniones atornilladas ejercen una fuerza de sujeción por mediodel par de apriete aplicado al tornillo ensamblado.Tipos de uniones atornilladas3.1.3.1.1. Uniones blandasLas uniones con elementos como tornillos largos, en las que participen otros elementos, como arandelaselásticas, 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 rígidasSon aquellas uniones en las que el momento de apriete sube rápidamente en línea recta y con un ángulo agudocon respecto a la vertical, a partir del “snug torque”. Esto significa que la unión alcanza el par de apriete buscadoen un valor de ángulo de giro pequeño. Ejemplo de estas uniones son las uniones con tornillos cortos con chapametálica (uniones pasantes) o en uniones en agujero ciego sobre bloque metálico.8.8XYZ10.9XYZIdentificación del fabricanteClase de resistencia
  • 5. Coeficiente de fricción – Guía de las uniones atornilladas3ª Edición Página 2 de 25Cálculo de uniones atornilladas3.2.Para el cálculo de uniones atornilladas se siguen las directrices del documento VDI 2230 “SystematischeBerechnung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen Zylindrische Einschraub-verbindungen” (Cálculosistemático de uniones atornilladas sometidas a gran esfuerzo. Uniones atornilladas cilíndricas). Este documentoeditado por la VDI Verein deutscher Ingenieure (Asociación de ingenieros alemanes) es un documento sobre elcálculo de uniones atornilladas para tornillos M4 a M30, con varios ejemplos. Dado que es un documentoutilizado 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 atornilladas3.3.3.3.1. Fuerza de aprieteEn una unión atornillada se debe garantizar que la fuerza de apriete a la que se somete la unión sea lo suficientepara 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 estiramientodel tornillo y otra que produce una compresión sobre la superficie a sujetar. La interacción de estas fuerzasproduce la sujeción de los elementos constructivos.3.3.2. Par de apriete y ángulo de giroPara conseguir la fuerza de apriete necesaria para sujetar los elementos constructivos a unir, debe aplicarse unapar de fuerzas. Este movimiento es circular y es aplicado por la llave de apriete o herramienta de montaje. El parde fuerzas o momento de apriete resultante es función del radio de la herramienta y de la fuerza aplicada.Fuerzade aprieteCompresiónT = Fuerza x Radio
  • 6. Coeficiente de fricción – Guía de las uniones atornilladas3ª Edición Página 2 de 25Métodos de medición del par de apriete3.4.Para determinar si una unión está correctamente apretada, es necesario medir el momento de apriete. Existendos tipos de métodos de medición del par de apriete; uno de forma estática y otro de forma dinámica3.4.1. Mediciones estáticasLa medición del par de apriete se realiza con una llave dinamométrica después de realizar el apriete. Con esto secomprueba que la unión atornillada se ha realizado correctamente.3.4.2. Mediciones dinámicasLa medición se realiza por medio de un transductor de par de apriete. Esto permite un control del proceso demontaje. Este es el caso de las herramientas de apriete eléctricas. Así, se elimina la necesidad de realizar unacomprobación posterior.La medición se realiza con un transductor de par de apriete instalado en la herramienta de apriete o con unsistema que controla el par de apriete en continuo.4. Coeficiente de fricciónEl coeficiente de fricción se determina mediante ensayo normalizado con el objetivo de establecercomparaciones entre diferentes uniones atornilladas. Los ensayos se realizan a temperatura ambiente y suscondiciones se encuentran definidas. Existen varias normas y especificaciones que determinan el coeficiente defricción por medio de la relación lineal existente entre la carga aplicada y el momento de apriete en el intervalo dedeformación elástica. El ensayo de coeficiente de fricción no determina el comportamiento de las unionesatornilladas en el montaje. Los valores y condiciones del ensayo no deben utilizarse para definir elcomportamiento de uniones atornilladas en uso. Sobre problemas en montaje se deben simular las condicionesutilizadas en el montaje, ya que estas varían respecto a las condiciones del ensayo de coeficiente de fricción (parde apriete, carga aplicada, etc.)θθθθ ángulo de giro
  • 7. Coeficiente de fricción – Guía de las uniones atornilladas3ª Edición Página 2 de 25Los aparatos de medición de coeficiente de fricción miden la fuerza de apriete, el momento de apriete total, elmomento de apriete debajo de cabeza y el ángulo. El momento de apriete en rosca es calculado por medio de ladiferencia entre el momento total T, y el momento de apriete debajo de la cabeza.Fotografía de un banco de coeficiente de fricciónEl método general para determinación del coeficiente de fricción se basa en la relación lineal existente entre lacarga (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 esgenerada 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 superficieapretada. Es decir, se producen dos fuerzas de sentido opuesto, una que produce un alargamiento del tornillo yotra que produce un aplastamiento de la superficie contra la que se aprieta el tornillo y la tuerca. Todo elmomento 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 engenerar el apriete.T FFTbTth = T – TbEsquema de ensayo de coeficiente de fricción de un tornilloTuerca de referenciaTornilloCélula decargaPlaca de apoyoVaina de soporte
  • 8. Coeficiente de fricción – Guía de las uniones atornilladas3ª Edición Página 2 de 25Normas y especificaciones del coeficiente de fricción4.1.DIN 946 1991 (anulada) Bestimmung der Reibungszahlen von Schrauben und Muttern unter festgelegtenBedindungenDeterminación del coeficiente de fricción de tornillos y tuercas bajo condiciones especificadasISO 16047:2005 Fasteners – Torque/Clamp force testingElementos de fijación – Ensayo de par de apriete/fuerza de aprieteRenault 01-50-005 Eléments de fixation – Contrôle du coefficient de frottementElementos de fijación – Control del coeficiente de fricciónPSA C10 0054 Vis goujons écrous – Aptitude au frottementTornillos espárragos y tuercas – Comportamiento al coeficiente de fricciónFord WZ100 y 101 Steel Metric Threaded Fasteners Torque/Clamping Force PerformanceRendimiento de par de apriete/carga de apriete de elementos de fijación de acero de rosca métricaVDI 2230 Systematische Berechnung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen ZylindrischeEinschraubverbindungenCálculo sistemático de uniones atornilladas sometidas a gran esfuerzo. Uniones atornilladascilíndricas
  • 9. Coeficiente de fricción – Guía de las uniones atornilladas3ª Edición Página 2 de 25Símbolos utilizados según ISO 160474.2.d Diámetro nominal del tornillo FuFuerza de apriete de roturad2Diámetro de flancos de la rosca del tornillo FyFuerza de apriete en el límite elásticod4Diámetro del agujero pasante del equipo de ensayos T Momento de aprietedhDiámetro del agujero de paso de la arandela o de laplaca de apoyoTthMomento de apriete en la roscaDoDiámetro exterior de la superficie de apoyo TbMomento en la superficie de apoyo de la cabeza deltornillo/tuercaDpDiámetro exterior de la superficie plana de la placa deapoyoP Paso de roscaDbDiám. medio para el momento de fricción en la cabezao la tuerca (medida o teórica)θ Ángulo de giro en el apriete del tornillo/tuercaLcLongitud de apriete µthCoeficiente de fricción en la roscaLtLongitud de la rosca completa entre las superficies deapoyoµbCoeficiente de fricción en la superficie de apoyo deltornillo/tuercaF Fuerza de apriete µtotCdf. comparativo para el comportamiento a la fricciónde una unión atornilladaFpCarga de prueba según ISO 898-1, ISO 898-2 o ISO898-65. Determinación del coeficiente de fricciónSe aplica un momento de apriete de forma uniforme a un montaje tornillo/tuerca o tuerca/tornillo para generaruna fuerza de apriete, y así medir varias características. Se suele representar como un gráfico de carga ymomento de apriete F - T.0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Clamping Force/Fv [kN]Torque/Ma[Nm]020406080100120140160Ma/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
  • 10. Coeficiente de fricción – Guía de las uniones atornilladas3ª Edición Página 2 de 25El coeficiente de fricción se representa en función de estas dos magnitudes. En el intervalo de deformaciónelástico existe una relación directa entre el momento de apriete y la carga. Para uniones atornilladas de roscamétrica ISO vale la siguiente relación matemática (1). Cuando se produce el atornillamiento, el movimientocircular sobre la rosca se puede descomponer en una pendiente (triángulo recto de altura igual al paso de roscadel tornillo). El proceso de apriete se puede representar como si se desplazara hacia arriba un objeto por lapendiente.En el intervalo de deformación elástico existe una relación directa entre el momento de apriete y la carga. Parauniones atornilladas de rosca métrica ISO vale la siguiente relación matemática (1). Cuando se produce elatornillamiento, el movimiento circular sobre la rosca se puede descomponer en una pendiente (triángulo recto dealtura igual al paso de rosca del tornillo). El proceso de apriete se puede representar como si se desplazara haciaarriba un objeto por la pendiente. Al movimiento de avance, se opone la fuerza de rozamiento generada por eldesplazamiento de la carga por la pendiente. El momento aplicado en el apriete es igual a la suma del momentogenerado en la rosca y el momento generado sobre la superficie de apoyo del tornillo/tuerca. El momento deapriete en rosca se determina a partir de la medición del par de apriete total y el par de apriete medido en la carade apoyo (1.1), en aquellos equipos que solo miden par de apriete total y par de apriete debajo de la cabeza deltornillo.
  • 11. Coeficiente de fricción – Guía de las uniones atornilladas3ª Edición Página 2 de 25( )( )( )( )42578,0159,0(3)2(2)578,0159,01.1122⋅+⋅⋅+⋅⋅=⋅⋅=⋅⋅+⋅⋅=−=+=bbthbbbththbthbthDdPFTDFTdPFTTTTTTTµµµµEl método general utiliza una ecuación en la que se asume que el coeficiente de fricción en la rosca y debajo dela cabeza es el mismo, por lo tanto, el promedio de los dos valores es igual:bthtotbthtotµµµµµµ==+=2Para 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 cálculodel parámetro Db, ya que ofrece mucha variación respecto al cálculo real realizado entre ensayosrealizados en diferentes laboratorios!!!2hobdDD+=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 deflancos, clase de resistencia del elemento)• La carga aplicada es el 70% de F0,2 (carga mínima en el límite elástico o límite elástico convencional al0,2%) para DIN 946 o 75% de la carga de prueba para ISO 16047Los valores de F se determinan por tablas de VDI 2230 o en las tablas de ISO 898-1, ISO 898-2, aunque losequipos de medición permiten una determinación de este valor en función del límite elástico del propio tornillomedido.(5)2577,022btotDdPFT+⋅−=µ
  • 12. Coeficiente de fricción – Guía de las uniones atornilladas3ª Edición Página 2 de 25Fórmula de Kellermann-Klein5.1.La fórmula del cálculo del coeficiente de fricción está basada en la fórmula de Kellermann-KleinLa 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 unionesatornilladas” (“Untersuchungen über den Einfluss der Reibung auf Vorspannung und Anzugsmoment vonSchraubenverbindungen”).En este estudio se analizan los factores que influyen en la fricción.(10)4154,1154,12122+⋅+⋅−⋅⋅⋅+⋅= hobthth dDdPdPFT µµπµπCoeficiente de fricción en rosca y cabeza5.2.Se puede determinar el coeficiente de fricción de las fórmulas (2) y (3) en la rosca, mth y en la superficie deapoyo de la cabeza del tornillo, µbPara determinar los coeficientes de fricción en rosca y zona de apoyo de tornillo/rosca, es necesario disponer deequipo 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, sepodrá 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 defricción en rosca y superficie de apoyo, ya que así permitirá analizar el problema y establecer conclusiones sobresu causa.(9)6495,0(8)2(7)2(6)577,0222PdddDDFDTdPFThobbbbthth⋅−=+=⋅⋅=⋅−=µπµ
  • 13. Coeficiente de fricción – Guía de las uniones atornilladas3ª Edición Página 2 de 25Ensayo de coeficiente de fricción5.3.Ejemplo de ensayo de coeficiente de fricción
  • 14. Coeficiente de fricción – Guía de las uniones atornilladas3ª Edición Página 2 de 25Factores que influyen en el coeficiente de fricción5.4.Los lubricantes tienen la función de ajustar unos coeficientes de fricción definidos y constantes. Además de estafunción, algunos lubricantes pueden ofrecer otras funciones (resistencia a la corrosión, resistencia a productosquímicos, aspecto, etc.)En la práctica, los coeficientes de fricción, así como la dispersión de sus valores, están influidos por lossiguientes 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 norecubierta, superficie blanda (aluminio), KTL, rugosidad de la superficie, etc. En el ensayo de coeficientede 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 requisitosdel cliente. Sin embargo, en este trabajo pueden ocurrir problemas debido a los factores que influyen descritosmás arriba. Se pueden aplicar lubricantes en fase acuosa en forma de dispersiones de ceras, aceites, lubricantessólidos integrados (p.e. polietileno, PTFE, poliacrilato, bisulfuro de molibdeno) en el recubrimiento. Es importanteque la dispersión de los resultados sea lo menor posible, para evitar valores fuera de especificación. Ladispersión de valores de µ con lubricantes sólidos integrados es menor y ofrece menos problemas al montajeautomático. Para un atornillado repetitivo, se consiguen mejores resultados con lubricantes sólidos integradosSi 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 deajustar, y no son deseables debido a la seguridad requerida contra el afloje. Generalmente, valores de µ > 0,25producen una tensión insuficiente, por lo tanto, el tornillo no estará apretado. Riesgo de ruptura en fatiga. Valoresde µ < 0,06. Se sobrepasa el límite de ruptura mínimo. Riesgo de fractura. Existen uniones roscadas con valoresentre 0,06 y 0,09.6. RecubrimientosLos recubrimientos y lubricantes pueden contribuir a mejorar el comportamiento a la fricción y ofrecer menordispersión de los valores de coeficiente de fricción. Debido a que durante los últimos años se han optimizado lastécnicas de apriete, los recubrimientos han debido adaptarse a las nuevas exigencias. Además de la necesidadde reducir los metales pesados contaminantes (directiva europea 2000/53 “End of Life Vehicles”), tales como elCr6+ (cromo hexavalente), elemento utilizado ampliamente en los sistemas de recubrimiento para ofrecer mayorresistencia a la corrosión, los sistemas de recubrimientos han estado en continua evolución para ofrecer mejorespropiedades para satisfacer los requisitos de normas y especificaciones de la automoción.Los sistemas de recubrimientos más comunes sin Cr6+ constan de:o Fosfatado + tratamiento posterioro Zn o aleaciones de Zn (ZnNi, ZnFe) + tratamiento posterioro Recubrimientos no electrolíticos de láminas de zinc + tratamiento posteriorComo tratamiento posterior, existen varias combinaciones posibles:- Lubricanteso Ceraso PTFEo MoS2, aceites
  • 15. Coeficiente de fricción – Guía de las uniones atornilladas3ª Edición Página 2 de 25- Sellados con lubricantes integradoso Capas inorgánicaso Capas orgánicas/inorgánicaso Recubrimientos orgánicos con lubricantes integradosFrente a los lubricantes puros, los sellados con lubricantes integrados ofrecen resistencia a la corrosión yresistencia a la temperatura.Los recubrimientos pueden ofrecer las siguientes propiedades:- Resistencia a la corrosión. Protección catódica (Zn y sus aleaciones, recubrimientos de láminas dezinc). 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 unagarantía en la eliminación de la fragilización por hidrógeno para los elementos de fijación de altaresistencia (clase de resistencia ≥ 10.9), siempre que se utilice la preparación superficial adecuada, esdecir, no se debe utilizar decapados ácidos acuosos. Para ello es necesario desengrasar condesengrasantes alcalinos y eliminar el óxido o la calamina con granallado mecánico con bolas de acero.- Adherencia- Comportamiento frente al atornilladoo Funcionalidad (calibres)o Coeficiente de friccióno Apriete múltipleo Comportamiento al afloje con temperaturao Velocidad de atornilladoCon 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 delproducto. 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 delos 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 másestables ante uniones con metales “problemáticos”o Reducción de la variación debida a factores externos (temperatura, humedad). Con los sistemas derecubrimiento con lubricación integral, una vez aplicado el producto, las variaciones externas producenmenores influencias perniciosas en el montaje tras tiempos de almacenamiento prolongados, adiferencia de los lubricantes puros. No obstante, se deben tener condiciones de almacenamientoadecuadas que eviten el polvo excesivo o las proyecciones de líquidosPara ello se requiere que:o Tecnología adecuada al estado de la técnica. Instalaciones automatizadas con controles de procesoadecuados, alarmas de seguridad ante fallos de proceso, registro de variables, instrucciones adecuadasde proceso, equipos de acondicionamiento térmico, preparación adecuada de la superficie, estado yrenovación de las formulaciones, caducidad de los productos.
  • 16. Coeficiente de fricción – Guía de las uniones atornilladas3ª Edición Página 2 de 25o Selección adecuada del tipo de recubrimiento. No todos los recubrimientos tienen las mismaspropiedades.o Ajuste de los parámetros del proceso para cada caso. Modificando las condiciones de aplicación de losprocesos, se puede ajustar el coeficiente de fricción para aquellos elementos de fijación con unionesatornilladas problemáticas.o Comprobación del coeficiente de fricción con equipo de medición del coeficiente de fricción. Es necesarioevaluar el comportamiento a la fricción de las uniones atornilladas, porque no todos los elementos defijación ofrecen el mismo comportamiento a la fricción con el mismo recubrimiento. Atención tornilloscortos, tornillos con arandela, arandela cóncava y poca superficie de apoyo!!7. Técnicas de aprietePara unir diferentes materiales existen diferentes técnicas (soldadura, remachado, etc.) El método más utilizadopara fijar componentes es por medio de un tornillo que apriete los elementos de unión con una tuerca odirectamente en un agujero roscado en uno de los componentes. Las uniones roscadas son utilizadas por sudiseño no complicado, montaje, productividad, desmontado fácil, etc.. Los tornillos son apretados hasta unatensión o carga deseada para que los componentes permanezcan unidos y no se aflojen en uso. No existe unmétodo práctico para medir la fuerza de apriete en la producción normal. Como la fuerza de apriete es unafunción lineal del ángulo de giro del tornillo, existe una relación directa entre la fuerza de apriete y el momento deapriete. De esta forma indirecta se puede saber si un tornillo está bien apretado. Sin embargo sólo un 10% delmomento 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 valormínimo.Los tornillos deben estar preparados para el Fmax, por lo tanto, es necesario que los tornillos esténsobredimensionados. Por razones funcionales se debe mantener• Fmax = αA·FminEl 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 montajePara garantizar la carga necesaria en una unión roscada, se debe calcular la dimensión mínima del tornillo. Lostornillos se aprietan al par de apriete mínimo necesario. Los diferentes métodos de apriete tienen diferentestolerancias. Cuánto más exacto sea el método, más alto será el par de apriete. Pares de apriete mayoresrequieren diámetros de tornillo más grande para resistir cargas más altas. Cuanto el factor de apriete máscercano 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 demontaje. Las herramientas que permiten un montaje de alta velocidad son esenciales. Las herramientas demontaje en la industria de la automoción deben permitir el registro de datos para el control estadístico delproceso.Apriete manual7.1.El apriete manual con llave fija no debe utilizarse para uniones importantes. La dispersión es alta incluso conmontadores experimentados. La experiencia demuestra que con llaves fijas convencionales, solo tornillos hastaM14 clase 8.8 y hasta M10 clase 10.9 quedan suficientemente apretados al límite elástico. El apriete manual detornillos de diámetros más largos requiere longitudes de llave más grandes.
  • 17. Coeficiente de fricción – Guía de las uniones atornilladas3ª Edición Página 2 de 25Herramientas de montaje7.2.7.2.1. Atornilladoras inalámbricasSon herramientas portátiles que permiten llegar a donde no existe posibilidad de llevar un cable, o por su accesoes complicado utilizar otro tipo de herramientas. Pueden ser atornilladoras de impacto con batería o acumuladorrecargable.El par de apriete máximo se consigue después de 6 a 10 segundos. Su desventaja es el ruido que generan ybaja precisión. Los fabricantes disponen de tablas y recomendaciones para el montaje. Los pares de aprieteaplicados deben comprobarse con una llave dinamométrica.7.2.2. Atornilladoras de impactoLas atornilladoras de impacto tienen el mismo principio de funcionamiento que un martillo que golpee una llavefija. En el caso de una llave de impacto accionada por motor de aire, el martillo es la masa combinada del rotor yel 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, tienenun 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 utilizanpara desmontaje de tornillos en la industria.7.2.3. Atornilladoras de impulsosLa herramienta de impulsos hidráulica tiene todas las ventajas de una atornilladora de impacto, que sonvelocidad, fuerzas de reacción bajas. El apriete se produce de forma hidráulica (golpe blando) y se regula pormedio de un tornillo de regulación. Los pares de apriete que se pueden obtener son altos y ofrecen buenarepetibilidad.Las herramientas de impulsos se utilizan ampliamente debido a su velocidad, portabilidad, bajo nivel de ruido yde vibraciones. Puede tener su aplicación en el montaje final de la industria del automóvil, si bien su limitación esque no permite el registro de los valores de pares de apriete aplicados (medición dinámica).7.2.4. Atornilladoras eléctricas con control electrónico de par y ánguloEn las líneas de producción de la automoción se utilizan las atornilladoras eléctricas, ya que además de permitirel control del proceso de montaje, permiten el registro de los valores de par de apriete y ángulo. Se trata deatornilladoras con motor eléctrico de corriente continua con un transformador. Son sistemas complejos quepermiten 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 procesode montaje y unos registros de calidad que mantener (sistema de calidad).7.2.5. Montaje con control de par de aprieteEs el método más utilizado ampliamente. Es el método de montaje apropiado para desmontaje. Se establecenlos pares de apriete necesarios teniendo en cuenta que no se supere el límite elástico del tornillo (fricción baja) yque 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 lapieza original.Los factores de apriete son tan altos dentro del límite elástico que no se recomienda esta técnica para unionesatornilladas con grandes solicitaciones. Esto es debido a que la variación de la fricción afecta mucho. A pesar detener un momento de apriete repetitivo, la fricción influye en la variación del par de apriete y a su vez, produceuna mayor aún mayor en la fuerza de apriete (precarga). Por lo tanto, la unión atornillada debe estarsobredimensionada para evitar un apriete excesivo del tornillo, o bien que la unión esté suficientementeapretada. El apriete se puede realizar con llaves dinamométricas, atornilladoras de con señal de paro (reguladascon aire comprimido), atornilladoras con parada, atornilladoras de precisión con medición del par de apriete yatornilladoras de impacto.
  • 18. Coeficiente de fricción – Guía de las uniones atornilladas3ª Edición Página 2 de 257.2.6. Montaje con control de ánguloEl método de control par/ángulo es un método indirecto de medida de longitud, ya que la deformación del tornillosobre el paso de la rosca es directamente proporcional al ángulo de giro. Primero se aprieta al tornillo hasta quelas interfaces estén próximas. El ángulo de rotación no se mide hasta que se llegue al par de apriete umbral. Semide el par de apriete y el ángulo de giro. La práctica ha demostrado que esta técnica solo alcanza su más altaprecisión cuando el tornillo está apretado al límite elástico. El ángulo de rotación se determina sobre las piezasoriginales para detectar la resiliencia del diseño. Con un ángulo de rotación adecuado se evita la rotura de deltornillo o la sobrecarga. Cuando se excede el límite elástico del tornillo se limita su reutilización. El montaje concontrol 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 lascaracterísticas de diesño del tornillo para longitudes de apriete de 1d a 4d. Esto permite que ante una variacióndel par de apriete, la variación de la fuerza de apriete es mucho menor, y por lo tanto, ofrece uniones atornilladasmás seguras. Cabe recordar que este método limita la reutilización del tornillo.
  • 19. Coeficiente de fricción – Guía de las uniones atornilladas3ª Edición Página 2 de 257.2.7. Montaje con control de límite elásticoEl límite elástico sirve aquí como variable de control para la carga de montaje. Independientemente de la fricciónen la superficie de apoyo, se aprieta el tornillo hasta el límite elástico. Al igual que el método de par/ángulo, launión se debe apretar a un par ajustado. El punto de límite elástico se identifica midiendo el par y el ángulodurante el apriete y determinando su cociente, equivalente a la pendiente de una tangente sobre la curva par deapriete/ángulo. Cuando se produce la deformación plástica, baja el coeficiente diferencial. La elongación plásticaque sufre el tornillo es muy pequeña, por lo tanto su reutilización se ve escasamente afectada.7.2.8. Comparación entre procesos de aprieteEfecto de la técnica de apriete en la dispersión de la carga de montaje y consecuentemente, en el requisito dediámetro para clase 12.9. Se ve claramente que si se utiliza la técnica de apriete apropiada, se puede reducir eldiámetro del tornillo. Además, se tendrá mayor seguridad en la unión atornillada.A) Atornilladora de impactoB) Husillo de instalación de tornilloC) Atornilladora o eje de instalación de tornillos de precisiónD) Husillo de instalación de tornillos con control de límite elástico
  • 20. Coeficiente de fricción – Guía de las uniones atornilladas3ª Edición Página 2 de 257.2.9. Tabla descriptiva de tipos de aprieteSegún VDI 2230, se establecen las características de los diferentes tipos de apriete y sus factores de apriete, asícomo su variación.ααααAVariación Proceso de apriete Proceso de ajuste Observaciones1,2 a 1,4 ± 9% a 17% Apriete con control de límiteelásticoEntrada del coeficiente de par de apriete/ángulo de girorelativo1,2 a 1,4 ± 9% a 17% Apriete con control de ángulo Determinación experimental del par de apriete y el ángulode giro (pasos)1,2 a 1,6 ± 9% a 23% Apriete hidráulico Ajuste por medición de la longitud o de la presión1,4 a 1,6 ± 17% a 23% Apriete con control de par deapriete con llavedinamométrica, llave de señal oatornilladora de husillo deprecisión con medicióndinámica de par de aprieteDeterminación experimental de los pares requeridos sobrela pieza original, por ejemplo, midiendo la elongación deltornillo1,6 a 2,0 ± 23% a 33% Apriete con control de par deapriete con llavedinamométrica, llave de señal oatornilladora de husillo deprecisión con medicióndinámica de par de aprieteDeterminación del par de apriete requerido por estimacióndel coeficiente de fricción (condiciones de la superficie y dela lubricación)1,7 a 2,5 ± 26% a 43%2,5 a 4 ± 43% a 60% Apriete con llave de impacto oimpulsiónAjuste de la atornilladora sobre el par de apriete posterior,Comportamiento stick-slip7.3.7.3.1. GeneralidadesEl 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)• RanurasEl efecto stick-slip puede evitarse con la técnica de montaje adecuada (apriete en dos etapas con apriete finallento). 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
  • 21. Coeficiente de fricción – Guía de las uniones atornilladas3ª Edición Página 2 de 25Apriete sin efecto stick-slipApriete con efecto stick-slipPara 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 convexaDisminuir la velocidad de deslizamiento• Cambiar la frecuencia propia y la frecuencia de excitación• Disminuir la velocidad de deslizamientoHusillo• Configurar accionamiento rígido (husillo), para que se consiga una frecuencia propia más alta• Eliminar el juego en el accionamiento
  • 22. Coeficiente de fricción – Guía de las uniones atornilladas3ª Edición Página 2 de 25Disminuir 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 deunión 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 handiseñado de forma que no perjudiquen la funcionalidad de la pieza• Se consigue mejores resultados con lubricantes secos integrados en el producto (top-coat con lubricanteintegrado)Existen varias soluciones disponibles y debe investigarse más, ya que su utilización en la producción en serie seha 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 integradoMediante el ajuste de parámetros del proceso se pueden minimizar los efectos del stick-slip y consecuentementemejorar el comportamiento en el montaje.7.3.2. Método de estudio del comportamiento stick-slipLa norma VDA 235-203 establece un método de estudio del comportamiento stick-slip. Establece condicionescerca de la práctica en uso para estudiar uniones atornilladas y evaluar los sistemas de recubrimiento. No esválido para el control en serie de las piezas, pero sí como método de investigación de nuevos recubrimientos. Seutilizan tornillos con arandela con superficie de apoyo cóncava (Außenträger). Se utiliza superficie de aluminiorecubierta con KTLSe utiliza una herramienta de apriete automático con husillo que permite una alta velocidad de apriete (>200rpm), paro y luego apriete final lento• 200 rpm• Paro de 2 segundos• Apriete final a 20 rpmLa norma VDA 235-203 también establece las condiciones de ensayo de tornillos en condiciones de temperaturaalta (150ºC), por ejemplo para el estudio del afloje con recubrimientos orgánicos (ej. PTFE) u otros lubricantes enotros recubrimientos. Esta característica es crítica para tornillos con cargas transversales. Para ello se calculanlos pares de afloje con temperatura alta. Para ello es necesario bloque de ensayo (material C45 bonificado a 800MPa), rectificado a lo largo con rugosidad Ra = 0,8 a 1,6 µm. El conjunto debe ser desengrasadocompletamente. El momento de apriete a aplicar es del 70% de Rp0,2 (0,2% del límite elástico aparente) deltornillo 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 elconjunto se calienta en un horno a la temperatura de ensayo. Tras extraerlas del horno, se comprueba si hahabido afloje. Inmediatamente después se mide el par de afloje. Teniendo en cuenta las relaciones entre fuerzade apriete, momento de apriete, y el resto de parámetros del tornillo, se determina la relación entre el momentode afloje y el momento de apriete:ALMMTambién se establece el procedimiento de estudio de aprietes múltiples sobre los mismos elementosconstructivos (tornillo, arandela, superficie de apoyo).
  • 23. Coeficiente de fricción – Guía de las uniones atornilladas3ª Edición Página 2 de 258. BibliografíaK. H. Kübler, W. J. Mages. Handbuch der hochfesten Schrauben, 1986K. Kayser. High-tensile bolted joints. Design Parameters, Assembly, Locking featuresKAMAX Schraubenbrevier, 2006DSV Deutscher Schraubenverband. Statusreport 2005R. Kellermann, H.C. Klein. Untersuchungen über den Einfluss der Reibung auf Vorspannung und Anzugsmomentvon Schraubenverbindungen9. Normas y especificaciones relacionadas01 50 005/--C Elements de fixation. Contrôle du coefficient de frottementC10 00 54 Screws studs nuts. Aptitude to friction test methodDIN 946 (anulada) Bestimmung der Reibungszahlen von Schrauben und Muttern unter festgelegten BedindungenGME 00150 Bolted jointsUNE-EN ISO 16047 Elementos de fijación – Ensayo de par de apriete/fuerza de aprieteVDI 2230 Systematische Berechnung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen ZylindrischeEinschraubverbindungenVDA 235-101 Schmieren von mechanischen Verbindungselementen mit GewindeVDA 235-203 Verschraubungsverhalten / Reibungszahlen. Praxis- und montageorientierte PrüfungVW 011 10 Schraubenverbindungen. Konstruktion, Montage und ProzesssicherungVW 011 26-1 Fügetechnik. Anziehdrehmomente für SchraubenverbindungenVW 011 26-2 Fügetechnik. Anziehdrehmomente für überelastische SchraubenmontagenVW 011 29 Grenzwerte der Reibungszahlen. Mechanische Verbindungselemente mit metrischem ISO-GewindeWZ100 Steel Metric Threaded Fasteners Torque/Clamping Force PerformanceWZ101 Steel Metric Threaded Fasteners Torque/Clamping Force Performance
  • 24. Coeficiente de fricción – Guía de las uniones atornilladas3ª Edición Página 2 de 2510. AnexosCoeficientes de fricción en la industria de la automoción10.1.Tabla de coeficientes de fricción exigidos por la industria de la automoción europea y norteamericanaCoeficientes de fricción de algunos recubrimientos10.2.