Cómo evitar las fallas en montajes con tornillos

El tornillo hidráulico, inventado por Arquímedes (287 – 212 a.C.) dió lugar al desarrollo de los tornillos roscados, hoy comunes a toda la tecnología de montaje. Tan frecuente es su uso, que se acepta sin haber realizado un análisis más detallado sobre su función. Las dos causas principales de las fallas en un montaje roscado son:

  • Pérdida de tensión, y
  • auto-aflojamiento.

Cómo evitar las fallas en montajes con tornillos
Los montajes de tornillos siempre se someten a varias fuerzas y torques.

Pérdida de tensión

Los montajes roscados aflojan cuando ocurre un cambio permanente en el largo del tornillo en el sentido de su eje, en el cual el propio sustrato es el que cede, como en superficies de empalmes cerrados, o bien cuando se producen cambios de temperatura. Esto reduce la tensión del tornillo y, por lo tanto, reduce la fuerza de apriete residual. Los cambios permanentes en el largo pueden disminuir debido a:

  • Asentamiento: la rugosidad de las superficies de las piezas adyacentes (por ejemplo: tuercas arandelas) se acentúan menos bajo la presión de tensión del tornillo.
  • Deformación: la presión en la superficie del material donde se apoya el tornillo o la tuerca es superior a la resistencia del material a la compresión.

¿Cómo evitar la pérdida de tensión?

Si se aumenta la elasticidad de montaje para que la dimensión esperada de asentamiento y deformación se vea compensada, se evitará la caída en la fuerza de pre-tensión de manera adecuada. Esto es posible mediante el uso de:

  • tornillos de alta razón l/d (l = largo del tornillo, d = diámetro del tornillo);
  • tornillos y tuercas con asiento, los cuales reducen la presión superficial y, de esta forma, el asentamiento en las superficies de soporte.
  • tornillos con arandela de resorte o de apoyo cónico;
  • arandelas cónicas o de resorte a platillo.

Auto-aflojamiento

Después de realizar el procedimiento de apriete, la carga de compresión se mantiene debido a la pre-carga en el tornillo. Esto ocurre porque el tornillo fue alargado como un resorte y la tensión actúa a modo de estirar la tuerca contra la cabeza de tornillo, lo que comprime sus componentes. Luego de aplicar el torque de apriete, la tensión tiende a soltar la tuerca del tornillo. El roce en las roscas y bajo la cabeza del tornillo y la tuerca se oponen a esta fuerza, manteniendo la tensión en el tornillo.

Si el sistema de bloqueo se somete a cargas cíclicas o vibración, el efecto de bloqueo causado por el roce se volverá menos efectivo, lo que permitirá que la tuerca gire en relación con la rosca, perdiendo su tensión. Las vibraciones pueden ir en sentido longitudinal o transversal, o incluso, una combinación de ambos. Las vibraciones transversales producto de las cargas horizontales cíclicas son mucho más dañinas y pueden aflojar un tornillo promedio rápidamente. Las fuerzas longitudinales debido a las cargas de pulsación axiales harán que el aflojamiento sea menor.

¿Cómo evitar el auto-aflojamiento?

Las siguientes medidas pueden ayudar a prevenir el aflojamiento indeseado de los tornillos (siempre y cuando se ejecuten correctamente):

  • El uso de tornillos con alta resistencia a la tracción permite que las fuerzas de pre-tensión lo suficientemente altas prevengan el movimiento relativo.
  • La proyección que aumenta la razón l/d (l = largo del tornillo, d = diámetro del tornillo) aumenta también la elasticidad del montaje (como buena práctica, una razón de l/d > 6 se considera como ideal).
  • El roce puede aumentarse mediante el acabado superficial y estructural en las superficies de soporte del tornillo y la tuerca.
  • Luego de aplicar adhesivo, el grado de libertad para movimientos laterales se elimina pues las holguras entre las roscas se llenan completamente eliminar.
  • Al crear un montaje positivo (por ejemplo, tornillos de ajuste fijo, puntos de soldadura), el deslizamiento en la rosca puede reducirse.

Cómo evitar las fallas en montajes con tornillos
Los adhesivos anaeróbicos son una de las formas más avanzadas y confiables para evitar el auto-aflojamiento.

Los tipos y métodos de bloqueo de la rosca pueden subdividirse en tres grupos:

Método de asentamiento:

Al aumentar la elasticidad del montaje, se compensa el asentamiento después del proceso de montaje en sí. De esta forma, la fuerza se tensiona previamente y se retiene de forma significativa, y se evita la pérdida de tensión del montaje roscado. Sin embargo, este método de asentamiento no evita el autoaflojamiento del montaje roscado en relación con los movimientos relativos entre las piezas tensionadas. Las arandelas de resorte y cónicas son ejemplos de métodos de asentamiento. El efecto de bloqueo de otros elementos, por ejemplo, las arandelas elásticas, dentadas y o de estrella, es inadecuado.

Elementos que evitan el desmontaje:

Los elementos para evitar el desmontaje permiten un aflojamiento o desapriete parcial, pero evitan que el montaje roscado se suelte por completo. Por ejemplo, tuercas de cabeza almenada, chavetas, tornillos con inserciones de metal o plástico. Estas técnicas suelen evitar el desmontaje, sin embargo, no son eficaces en la mantención de la carga de compresión.

Piezas que evitan el aflojamiento

Tales piezas, además de evitar el autoaflojamiento, también evitan que el montaje se suelte. Estas incluyen:

  • tornillos y tuercas de estrella
  • tornillos de empalme con nervadura
  • adhesivos.

No obstante, ninguno de estos métodos es tan eficaz como el uso del Traba-roscas Loctite.

Henkel, por medio de su marca Loctite®, creó adhesivos líquidos mono componentes que permiten llenar completamente los espacios entre las roscas. Estos curan agregar las mismas al transformarse en un plástico reemplazar por: termofijo, resistente y sólido al entrar en contacto con el metal y en ausencia de aire. El adhesivo crea una conexión interfacial, anclándose en la rugosidad de la superficie y evitando así cualquier movimiento de las roscas. De esta forma, el problema se soluciona justamente donde surge: en las roscas. Esta es la razón por la cual las trabas de rosca Loctite® son uno de los medios de bloqueo más eficientes para los elementos de fijación.

Es importante que el largo total de la rosca esté en contacto con el producto y que no haya restricciones para el curado del adhesivo (la contaminación por aceites o los sistemas de limpieza pueden impedir o incluso evitar completamente el curado de adhesivos anaeróbicos).

Cómo evitar las fallas en montajes con tornillos
Si el adhesivo se aplica al fondo del agujero ciego, la compresión permitirá su distribución uniforme por todo el montaje.

El adhesivo líquido puede aplicarse de forma manual o con ayuda de equipos de aplicación/dosificación especiales. La aplicación adecuada del adhesivo en la rosca depende de los siguientes parámetros: tamaño de la rosca, viscosidad del adhesivo y geometría de las piezas. Si estas son de grandes dimensiones, la aplicación del producto en ambas caras garantizará la confiabilidad necesaria del adhesivo. Con roscas de agujero ciego, es fundamental que el adhesivo se aplique al fondo del agujero. La cantidad debe ser tal de que, después del montaje, el adhesivo removido llene el largo total de la rosca.

Cómo evitar las fallas en montajes con tornillos
Distribución de las fuerzas en un tornillo pre-tensionado, en posición neutra

Cómo evitar las fallas en montajes con tornillos
Efecto de las fuerzas bajo carga de vibración.

Algunos traba-roscas anaeróbicos ayudan a controlar el coeficiente de roce de la rosca. Los valores se comparan con los de los tornillos aceitados. Esta propiedad permite que los traba-roscas anaeróbicos se integren a líneas de producción automáticas, usando los equipos de montaje existentes. No obstante, considere que es necesario definir la pre-tensión y el torque de montaje.

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