Cómo determinar una especificación de par

Jun 21, 2023

Trazar una curva de ángulo de torsión para una serie de detenciones puede ayudar a los ingenieros a establecer una especificación de torsión para una aplicación. Ilustración cortesía de Peak Innovations Engineering

Los equipos de prueba como SCHATZ-INSPECTpro permiten a los ingenieros determinar especificaciones de par y ángulo. Foto cortesía de Kistler Instrument Corp.

Debido a que afectan la fricción, los revestimientos, revestimientos y lubricantes tienen una influencia significativa en la especificación del par. Foto cortesía de NOF Metal Coatings North America Inc.

Independientemente del método de prueba, las pruebas deben realizarse utilizando piezas de producción reales. Foto cortesía de Herramientas industriales Desoutter

La máquina de ensayo de torsión UNIVER TOK-3001 se utiliza para verificar la idoneidad de conjuntos de pernos, tuercas y arandelas de alta resistencia para una aplicación particular. Foto cortesía de Univer Technologies Group

Hay disponible una gran cantidad de tecnología para garantizar que los sujetadores roscados se instalen en la secuencia correcta y con el torque y el ángulo correctos.

Por ejemplo, la serie QE de herramientas eléctricas de CC y la serie IC de controladores de Ingersoll Rand miden el par con una precisión de ±0,2 por ciento y un ángulo de ±1 grado. La resolución de la medición es ±0,025 por ciento del par de escala completa. Los ingenieros pueden implementar numerosas estrategias de apriete, incluido el control del par; control de par con monitorización de ángulo; control de torsión con anulación de rendimiento; control de ángulo; control de ángulo con monitorización de par; control de ángulo con anulación de rendimiento; control de rendimiento; par predominante; y par de arrastre. Las herramientas vienen en versiones con empuñadura de pistola, en línea y con cabezal angular, y la serie cubre un rango de torque de 0,3 a 400 newton-metro.

Por supuesto, incluso las herramientas más precisas son tan buenas como las especificaciones para las que están diseñadas. Se debe realizar una gran cantidad de trabajo de ingeniería antes de que un casquillo golpee la cabeza de un perno. Los ingenieros deben determinar el tipo y la cantidad de sujetadores necesarios para asegurar la junta. Deben considerar revestimientos, lubricantes y fijadores de roscas. Necesitan pensar en cómo se instalará el sujetador. ¿Es suficiente apretar el sujetador a un par específico? ¿O será necesario controlar tanto el par como el ángulo? Una vez decidido todo esto, los ingenieros deben establecer especificaciones de torsión, ángulo y secuencia de fijación.

“Hay muchas variables asociadas con el ajuste de sujetadores roscados, [y la especificación de torque] no es absoluta. En realidad, es una guía”, dice Guy T. Avellon, presidente de GT Technical Consultants Ltd., una firma consultora que brinda capacitación y análisis de diseño de juntas atornilladas. “Se agrega lubricación, diferentes recubrimientos, tolerancias y muchas otras cosas. Incluso hay una diferencia entre apretar la tuerca y apretar la cabeza del perno”.

Independientemente del producto, todo comienza calculando cuánta fuerza de sujeción se necesita para que el conjunto funcione de forma correcta y segura. Esto está determinado por las cargas y condiciones a las que estará expuesta la unión, más un factor de seguridad.

Los ingenieros deben elegir un sujetador o sujetadores que puedan transmitir con éxito esa fuerza de sujeción entre las piezas y soportar la tensión de la misma. Pero todos los sujetadores tienen límites en cuanto a la tensión que pueden soportar. Esto es función del material de fijación y su geometría, incluyendo su área de sección transversal y el área de las roscas. Ese límite no se puede superar.

El objetivo es apretar los sujetadores lo suficiente como para lograr la fuerza de sujeción especificada, pero no tanto como para que el sujetador no pueda soportar la tensión. La cantidad de torque que se requiere depende de la geometría del perno y de si las roscas están lubricadas. (Las roscas lubricadas requieren menos torsión para alcanzar la misma fuerza de sujeción, porque hay menos fricción que superar durante el apriete).

Hay dos formas de llegar a una especificación de par: "La forma correcta y la forma incorrecta", bromea David Archer, ingeniero principal de Peak Innovations Engineering, una firma consultora especializada en diseño y análisis de uniones atornilladas.

La forma incorrecta, afirma Archer, es escoger un número de una tabla de ingeniería estándar o confiar únicamente en la ecuación clásica, T = KDP, en la que T es el par de apriete objetivo; K es el coeficiente de fricción o factor de tuerca; D es el diámetro nominal del perno; y P es la carga de tracción deseada sobre el perno.

"K es la variable de fricción", explica Avellon. “Es una constante, pero es una variable constante, porque K está relacionado con acabados como el óxido negro o el zincado. ¿Está utilizando lubricante de molibdeno o lubricante antiagarrotamiento de cobre? Incluso los fijadores de roscas pueden actuar inicialmente como lubricantes”.

Los factores K más comúnmente utilizados son 0,2 para pernos con acabado liso, 0,22 para pernos galvanizados y 0,1 para pernos encerados o altamente lubricados. Para obtener una estimación más precisa del factor de la tuerca, los ingenieros pueden configurar una prueba de sujeción estándar para resolver la ecuación de K.

"La ecuación es bastante precisa, pero cada aplicación debe evaluarse por sí sola para determinar el valor de par óptimo", aconseja Avellon.

La mejor manera de desarrollar una especificación de par es mediante pruebas, sostiene Archer. La razón para realizar pruebas es que la fricción, la velocidad de desaceleración, las tolerancias de las piezas y otras variables pueden influir significativamente en la relación entre el par y la carga de sujeción.

Se pueden ejecutar dos tipos de pruebas para determinar una especificación de torque: medir el torque y el ángulo hasta la falla y medir el torque y el ángulo hasta una tensión específica. “El ángulo de torsión hasta el fallo es más sencillo. Se necesita un equipo menos complejo... pero probablemente no sea tan preciso”, afirma Archer. "El torque-ángulo para tensar es más preciso, pero requiere algún medio para medir la tensión del perno o la carga de la abrazadera".

En cualquier caso, el objetivo es encontrar un valor de torsión que aplique la mayor carga de sujeción en la unión sin el riesgo de apretar el sujetador más allá de su límite elástico o, peor aún, de su punto de rotura.

Independientemente del método de prueba, las pruebas deben realizarse utilizando piezas de producción reales. “No utilices prototipos, porque suelen fabricarse con diferentes procesos, materiales y acabados”, aconseja Archer. “Y nunca se deben reutilizar los pernos, porque el objetivo de las pruebas es comprender las características de fricción del conjunto. Si reutilizas un perno, obtendrás características diferentes cada vez”.

El número de correcciones necesarias para determinar una especificación de par varía. "Por razones prácticas, ese número está influenciado por el valor de las piezas, porque al menos algunas de ellas van a ser destruidas en el proceso de prueba", dice Archer. “Un promedio común es una docena de desmantelamiento. Un rango típico sería de seis a 24 averías”.

En una prueba de ángulo de torsión hasta falla, los ingenieros realizan varios análisis, trazando el torque versus el ángulo de rotación y apretando el sujetador hasta que falla. El objetivo es encontrar el límite elástico del sujetador.

Cada sujetador tiene una cierta elasticidad cuando se estira. Si se elimina la carga y el sujetador todavía está dentro de su rango elástico, el sujetador volverá a su forma original. Sin embargo, si el sujetador se aprieta más allá de su límite elástico (más allá del rango elástico y dentro del rango plástico), ya no volverá a su forma original si se retira la carga. El sujetador está permanentemente alargado. Apretar el sujetador más allá de este punto hará que, en última instancia, se rompa.

La especificación de torque de instalación sería entonces un porcentaje (quizás del 75 al 85 por ciento) del valor de torque promedio cuando el sujetador alcanzó su límite elástico, más o menos dos o tres desviaciones estándar, explica Archer. Alternativamente, el torque de instalación podría establecerse en un porcentaje menor (digamos, 60 por ciento) del valor de torque promedio cuando falló el sujetador.

Para medir el par y el ángulo de una tensión se requiere una celda de carga, un perno extensímetro o un sensor ultrasónico. “El beneficio del método ultrasónico es que no hay ningún cambio funcional en la articulación. No se modifica el perno ni se agrega una pieza adicional a la junta, por lo que no hay riesgo de que el método de medición altere los resultados de la prueba”, dice Archer.

Un sensor ultrasónico mide la tensión de los pernos en tiempo real. Al establecer una ruta acústica fija entre el sensor y el sujetador, no hay variación de medición debido al acoplamiento entre el sensor y el perno. La tecnología ultrasónica también permite un seguimiento a largo plazo de la tensión articular para evaluar la estabilidad en uso o después de pruebas dinámicas.

La prueba de torsión-ángulo a tensión se realiza de la misma manera que la prueba de torsión-ángulo a falla. Las juntas de muestra se aprietan hasta el punto de fluencia o falla del sujetador. En este caso, sin embargo, los ingenieros buscan un par que produzca una carga de sujeción específica.

Una vez que se ha establecido un par de torsión de instalación, los ingenieros deben decidir cómo implementar esa especificación en la línea de montaje. ¿La herramienta debería apagarse con un par específico o un ángulo específico?

"Es más común apagar con un par", admite Archer. “Es más sencillo y no necesitas un codificador.

"Dado que no se mide la carga de sujeción real durante la producción... hay que elegir un valor de torsión que le permita obtener esa carga de sujeción de manera más confiable", agrega Archer. "Si el extremo superior de su especificación de torsión es el 80 por ciento del valor elástico... el extremo inferior debe basarse en la capacidad de la herramienta de sujeción".

El apriete controlado por ángulo es más preciso. "El objetivo de realizar pruebas de torsión versus tensión... es porque la relación entre la torsión y la carga de sujeción se ve muy afectada por las variaciones en la fricción", dice Archer. “Cuando aprietas hasta un ángulo de rotación específico, la fricción no forma parte de eso. Estás alargando el perno en una cantidad fija. Existe una correlación mucho más directa entre la rotación y el estiramiento del perno.

"Por cierto, el alargamiento del perno no es simplemente una cuestión de calcular el paso del sujetador versus el ángulo de rotación, porque habrá cierta compresión de los miembros de la unión, así como también un alargamiento del perno".

Para implementar el apriete controlado por ángulo, los ingenieros necesitarán herramientas de sujeción que puedan medir el ángulo con precisión. “No basta con decir: 'Eso parece media vuelta'. Con articulaciones muy rígidas, un error de 10 grados puede significar una gran diferencia en los resultados”, advierte Archer. "Quiere una herramienta con un codificador incorporado que pueda medir ángulos con una precisión de 0,25 a 1 grado".