Uniones atornilladas.pdf

INS Anna Gironella de Mundet C.F.G.S. MECATRNICA INDUSTRIAL

Curs 2013-2014

Uniones atornilladas Professor: Raimundo Fernandez M4: Elements de mquines

UNIONES ATORNILLADAS

1- Introduccin

1.1- Generalidades

En todo tornillo se distinguen dos partes bsicas: la cabeza y el vstago. A su vez, en el vstago se

distinguen otras dos, la parte lisa (denominada tambin caa o cuello) y el tramo final o parte roscada.

Para la designacin de los tornillos se comienza definiendo el tipo de tornillo (T M si es tornillo

ordinario, TC M si se trata de un tornillo calibrado y TR si el tornillo a designar es de alta

resistencia), seguido por el dimetro del vstago en la zona de rosca, la longitud total del vstago, y

por ltimo una cifra para indicar la calidad del acero.

Por ejemplo: TR 20x90-8.8, se trata de un tornillo de alta resistencia, de 20 mm de dimetro exterior de

la rosca, 90 mm de longitud de vstago y calidad de acero 8.8 (640 N/mm2 de lmite elstico y 800

N/mm2 de resistencia ltima).

1.2- Calidades de acero en los tornillos

Los tornillos a emplear en las uniones debern ser preferentemente de alguno de los grados

4.6, 5.6, 6.8, 8.8 10.9.

No se deben utilizar para uniones que estn sometidas a algn tipo de solicitacin o esfuerzo tornillos

de grado inferior al 4.6 ni de grado superior al 10.9.

La notacin anterior es la empleada segn ISO 898. En esta notacin, la primera cifra designa la

centsima parte de la resistencia a la rotura (fub) en N/mm2 y la segunda, tras el punto decimal,

expresada en dcimas, es el factor por el cual hay que multiplicar la resistencia a la rotura para obtener

el lmite elstico (fyb), tambin en N/mm2. Por ejemplo, un tornillo de calidad 4.8 se correspondera

con:

fub= 400 N/mm2 ,es su resistencia a la rotura;

fyb= 0.8 * 400= 320 N/mm2 ,se corresponde con su lmite elstico.

En la siguiente tabla se muestran los valores nominales del lmite elstico fyb y de la resistencia ltima

a la traccin fub, para adoptar como valores caractersticos en los clculos:

Valores nominales del lmite elstico fyb y de la resistencia a traccin ltima

fub de tornillos

Grado del tornillo 4.6 4.8 5.6 5.8 6.8 8.8 10.9

fyb N/mm2 240 320 300 400 480 640 900

fub N/mm2 400 400 500 500 600 800 1000

Los tornillos de grados 8.8 y 10.9 se denominan tambin de alta resistencia.


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2- Partes de un tornillo

2.1- Cabeza

La forma de la cabeza del tornillo condiciona la herramienta a emplear en el apriete. A continuacin se

enumeran los distintos tipos de tornillos ms usuales en funcin de su geometra y el uso para los que

habitualmente estn destinados:

- Tornillos de cabeza hexagonal: permite aplicar grandes momentos de apriete.

Fig.1a Tornillo de cabeza hexagonal

- Tornillos de cabeza hexagonal con valona: permite aplicar un gran apriete, sin necesidad de utilizar

arandela entre la cabeza del tornillo y la pieza a unir.

Fig.1b Tornillo de cabeza hexagonal con valona

- Tornillos de cabeza hexagonal con pivote: permiten uniones con gran apriete, y adems es posible

realizar la inmovilizacin de la unin mediante el empleo de un pasador en el pivote.

Fig.1c Tornillo de cabeza hexagonal con pivote

- Tornillos de cabeza hexagonal con extremo en punta: o tambin llamado tornillo prisionero, debido a

que impide el movimiento relativo entre las piezas unidas.

Fig.1d Tornillo de cabeza hexagonal con extremo en punta


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- Tornillos de cabeza ranurada: este tornillo se emplea cuando no es necesario aplicar un gran apriete,

y adems permite la posibilidad de ocultar la cabeza del tornillo si se realiza un avellanado al orificio

de entrada.

Fig.1e Tornillo de cabeza ranurada

- Tornillos de cabeza con ranura cruciforme: tambin, como en el caso anterior, se emplean cuando no

es necesario la aplicacin de un gran par de apriete, e igualmente que el anterior, tambin permite la

posibilidad de ocultar la cabeza del tornillo si se realiza un avellanado al orificio de entrada.

Fig.1f Tornillo de cabeza con ranura cruciforme

- Tornillos de cabeza con prisionero: se usa para el ensamblaje mediante aplique de presin de piezas

sobre las que se ha ejecutado un taladro sin rosca previamente. Al apretar la tuerca, el tornillo queda

inmovilizado en lo que a rotacin se refiere, al quedarse alojado el prisionero en una ranura practicada

al efecto. Por otro lado, la cabeza del tornillo se puede ocultar si se le practica un avellanado al

agujero.

Fig.1g Tornillo de cabeza con prisionero

- Tornillos de cuello cuadrado: se usa para el ensamblaje mediante aplique de presin de piezas sobre

las que se ha ejecutado un taladro sin rosca previamente. Al apretar la tuerca, el tornillo queda

inmovilizado en lo que a rotacin se refiere, al quedarse alojado el cuello cuadrado en un alojamiento

prismtico embutido o que ya viene de fundicin. Por otro lado, la cabeza del tornillo se puede ocultar

si se le practica un avellanado al agujero.

Fig.1h Tornillo de cuello cuadrado


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- Tornillo de cabeza cuadrada: se usan para casos donde es necesario aplicar un gran momento de

apriete, por ejemplo, para la fijacin de herramientas de corte.

Fig.1i Tornillo de cabeza cuadrada

- Tornillo de cabeza cilndrica con hexgono interior (Allen): se usan en uniones que se necesiten

grandes aprietes y que resulten estrechos, con la posibilidad de ocultar la cabeza del tornillo si se le

practica un avellanado cilndrico al agujero.

Fig.1j Tornillo de cabeza cilndrica tipo Allen

- Tornillo de cabeza avellanada con hexgono interior (Allen): se usan en uniones que se necesiten

grandes aprietes y que resulten estrechos, facilitando el centrado entre las piezas a unir. Existe la

posibilidad de ocultar la cabeza del tornillo si se le practica un avellanado cnico al agujero.

Fig.1k Tornillo de cabeza avellanada tipo Allen

- Tornillos de cabeza moleteada: se usan en aquellas uniones que no precisen de un gran apriete, con

frecuentes procesos de montajes y desmontajes manuales.

Fig.1l Tornillo de cabeza moleteada

- Tornillos de mariposa: igual que el caso anterior, se usan en aquellas uniones las cuales no vayan a

precisar de un gran par de apriete, y adems estn sometidos a frecuentes montajes y desmontajes

manuales.

Fig.1m Tornillo de mariposa


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- Tornillos autorroscantes para chapa: o tambin llamados de rosca cortante, y se usan para la unin de

chapas metlicas de pequeo espesor o tambin de piezas hechas de material blando, como el plstico.

En este caso, la rosca hembra la realiza el propio tornillo al penetrar en el taladro liso practicado en la

chapa.

Fig.1n Tornillo autorroscante para chapa

- Tornillos autorroscantes para madera: o tambin llamados de rosca cortante o tirafondos, y se usan

para la unin de piezas de madera. En este caso, la rosca hembra la realiza el propio tornillo al penetrar

en el taladro liso practicado en la pieza.

Fig.1p Tornillo autorroscante para madera

2.2- Rosca

En funcin de la forma geomtrica que presenta la rosca, se pueden distinguir los siguientes tipos de

roscas:

- agudas o de filetes triangular; - trapezoidal; - en diente de sierra; - redondas; - de filete cuadrado.

Las roscas del tipo agudas o triangulares quedan definidas por el valor del dimetro exterior (d), del

ncleo (d3) y del de los flancos (d2), as como por el valor del ngulo de los flancos de la rosca

(alfa=60, si se trata de la rosca triangular ISO) y por ltimo por la medida del paso (p)


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Fig.2 Rosca Triangular ISO

El paso de rosca es la distancia que existe entre dos crestas consecutivas (p, en la figura anterior). Si el

tornillo es de rosca sencilla, por cada vuelta completa se corresponde con un avance del tornillo igual

al paso. Si es de rosca doble, el avance por cada vuelta ser igual a dos veces el paso.

Las roscas estn normalizadas, existiendo dos tipos fundamentales:

- la rosca Mtrica ISO; - la rosca Whitworth. -

La diferencia entre ambos tipos de roscas son varias, como son:

- Para las roscas Mtricas ISO, los ngulos de los las espiras son de 60, y los tornillos se redondea en el fondo de la rosca, mientras que las puntas son planas como se aprecia en la

figura anterior. Por el contrario, para las roscas tipo Whitworth el ngulo de los flancos es de

55, y tanto el fondo como las puntas del fileteado en el tornillo van redondeados.

- Otra gran diferencia es que mientras en las roscas Mtricas la parte externa aplanada de los filetes est a una altura (o tambin llamada profundidad del filete) h1=0,64595*p y el radio de

giro de su fondo redondeado vale r=0,1082*p, en las Whitworth tanto la punta exterior como la

parte interna son redondas, con altura o profundidad del filete de valor h1=0,64033*p y radio

de giro r=0,13733*p.

- En las roscas Mtricas el paso se indica por el avance en milmetros por cada vuelta, mientras en las Whitworth se da por nmero de hilos por pulgada.

- Por ltimo, las medidas nominales de la rosca, para el caso de la rosca Mtrica, se designa por el dimetro exterior de la rosca en mm. (si se trata de Mtrica fina se emplea en la designacin,

adems del dimetro exterior de la rosca, el valor del paso en mm.), mientras que para la rosca

Whitworth, la medida nominal de la rosca es el dimetro exterior en pulgadas.

3- Tipos de tornillos

3.1- Tornillos Ordinarios

Los tornillos ordinarios se designan por la sigla M, aunque tambin pueden aparecer representados por

la sigla T, seguidos por el dimetro d de la caa, la longitud l del vstago, y por ltimo van seguidos de

un nmero que especifica la calidad del acero.

Por ejemplo: Tornillo ordinario M 16x90-5.6 (significa que se trata de un tornillo de 16 mm de

dimetro de la caa, 90 mm de longitud de vstago y fabricado en acero de calidad 5.6). Tambin

puede nombrarse de la forma, T 16x90-5.6.


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Los tornillos ordinarios tienen rosca triangular ISO de paso grueso.

Fig.2 Rosca Triangular ISO

En los tornillos ordinarios el dimetro del agujero suele ser 1 mm ms grande que el del vstago,

aunque esta cifra es de referencia, por lo que se remite al lector al apartado "4.2. Agujeros para

tornillos" del presente documento para obtener mayor informacin a este respecto.

Para el montaje de uniones con tornillos ordinarios se requiere un menor ajuste entre el dimetro del

tornillo y el del taladro (alrededor de 1 mm., como se ha dicho). Los tornillos ordinarios se suelen

emplear para transmitir esfuerzos por cortadura y de traccin principalmente, pero no para momentos o

pares de fuerzas, dado que la holgura existente ocasionara que se produjeran movimientos relativos

entre las piezas.

3.2- Tornillos Calibrados

Por otro lado, los tornillos calibrados se designan por la sigla TC, aunque tambin pueden aparecer

representados como en el caso anterior por la sigla M (mtrica), seguidos, al igual que los ordinarios

por el dimetro d de la caa, la longitud l del vstago, y por ltimo, seguidos de la numeracin que

especifica la calidad del acero empleado en la fabricacin del tornillo.

Los tornillos ordinarios y calibrados se diferencian bsicamente en sus caractersticas geomtricas.

Mientras que en los tornillos ordinarios el dimetro del agujero es ms o menos 1 mm ms grande que

el del vstago, en los tornillos calibrados ambos dimetros estn muy ajustados, por lo que se utilizan

con preferencia para la formacin de nudos rgidos y en uniones de precisin, que transmitan mayores

esfuerzos sin que se produzcan desplazamientos relativos entre las piezas.

3.3- Tornillos de Alta Resistencia

Los tornillos de alta resistencia, o tambin llamados pretensados, se designan por la sigla TR, o

alternativamente tambin por la sigla M (mtrica), seguidos, al igual que los otros tipos de tornillos,

por el dimetro d de la caa y la longitud l del vstago, seguidos del nmero que especifica la calidad

del acero empleado en la fabricacin del tornillo. Ejemplo de designacin de un tornillo pretensado o

de alta resistencia: M 20x55-10.9, o bien, TR 20x55-10.9.


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Las uniones donde se han empleado tornillos pretensados trabajan transmitiendo los esfuerzos por

descompresin entre las superficies y por rozamiento. Por tanto, en estas uniones implica la existencia

de un estado de compresin entre las superficies unidas, que junto al coeficiente de rozamiento entre

ellas, hace que se impida que exista cualquier desplazamiento relativo.

A continuacin, en la siguiente tabla se exponen los coeficientes de rozamiento obtenidos en funcin

del tratamiento superficial que tengan las chapas. En los dos primeros casos el chorreado o granallado

implica que debe obtenerse el grado Sa 21/2 segn UNE-EN ISO 8504-1:

Coeficientes de Rozamiento

Clase Tipo de Tratamiento

A

0,50 A1 - Chorreado o granallado sin picaduras de corrosin

0,50 A2 - Chorreado o granallado y metalizado por pulverizacin con aluminio

0,50 A3 - Chorreado o granallado metalizados por pulverizacin a base de zinc, con ensayo de

deslizamiento

B 0,40 Chorreado o granallado con imprimacin de pintura de silicato alcalino de zinc hasta un

espesor de 80 m

C 0,30 Limpieza por cepillado o flameo con eliminacin de toda la cascarilla o herrumbre

D 0,20 Superficies no tratadas

Las uniones ejecutadas con tornillos de alta resistencia, TR, son uniones que resultan ms rgidas,

menos deformables y con mejor comportamiento en estado lmite de servicio, que las realizadas con

tornillos ordinarios o calibrados.

En estas uniones, al transmitirse los esfuerzos por rozamiento entre las superficies, es muy importante

aplicar el momento torsor o momento de apriete adecuado para cada tornillo.

El par torsor de apriete aplicado a los tornillos induce en stos un esfuerzo de pretensado en la espiga

del tornillo, que va a depender del dimetro (d) y de un coeficiente (K). Este coeficiente K va a tener

en cuenta las caractersticas del rozamiento entre los componentes de la parte que gira.

Para el caso que se empleen tuerca y tornillo ligeramente engrasados, el par de apriete puede obtenerse

aplicando la expresin siguiente:

Mt=K*d*Fp,Cd

donde Fp,Cd es el esfuerzo axial de pretensado en la espiga.

Salvo indicacin contraria que puedan marcar el Pliego de Prescripciones Tcnicas Particulares se

considera que el esfuerzo de pretensado que debe obtenerse de la espiga es el 70% de la resistencia a

traccin del tornillo (fub) multiplicada por el rea resistente (As), es decir, que el esfuerzo axial de

pretensado viene dado por la siguiente expresin:


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Fp,Cd=0,7*fub*As,

que sustituyendo en la expresin primera, el momento de apriete queda como:

Mt=K*d*0,7*fub*As

siendo, como ya se ha dicho:

K, coeficiente que depende de las condiciones de suministro (K=0,18)

d, es el dimetro nominal del tornillo.

Aplicando la expresin anterior en un ejemplo, se podra calcular el valor del momento de apriete

aplicable a un tornillo TR12 de clase 8.8. Sustituyendo valores se tiene que:

Mt= K*d*0,7*fub*As= 0,18*12*0,7*800*84,3= 101.969 Nmm

4- Estudio de las uniones atornilladas

4.1- Categora de las uniones atornilladas

Las uniones atornilladas se clasifican, en funcin de la manera de trabajar de los tornillos, en cinco

categoras, denominadas A, B, C, D y E, segn se indica en la nueva Instruccin de Acero Estructural

(EAE). Tres de ellas corresponden a uniones en las que los tornillos estn solicitados en direccin

normal a su eje, es decir, a cortante, y son las categoras A, B y C; mientras que las otras dos,

categoras D y E, se corresponden a uniones en las que los tornillos estn solicitados en direccin de su

eje, esto es, que trabajan a traccin.

A continuacin se pasa a estudiar cada una de las categoras anteriores:

Categora A: Como ya se ha dicho, son uniones en las que los tornillos, bien sean ordinarios o de alta resistencia, trabajan a cortante, pero en este caso, tambin pueden trabajar a aplastamiento. Si los

tornillos son de alta resistencia, calidades 8.8 10.9, no es preciso que estn pretensados, ni que las

superficies en contacto estn preparadas de manera especial.

Cuando la pieza est sometida a fatiga, a impactos o a esfuerzos alternativos, se recomienda que se

empleen tornillos de alta resistencia pretensados, aunque los tornillos pueden seguir calculndose a

cortante y aplastamiento.

Categora B: Son uniones realizadas con tornillos de alta resistencia pretensados, con superficies en contacto preparadas, que se desea que no deslicen. No obstante, en el clculo de este tipo de

uniones se podr admitir que, en estado lmite ltimo, la unin deslice y los tornillos trabajen a

cortante y aplastamiento.

Categora C: Son uniones realizadas con tornillos de alta resistencia pretensados, con superficies en contacto preparadas, que se desea que no deslicen en ningn momento, ni siquiera ya en el estado

lmite ltimo.

Categora D: Son uniones realizadas con tornillos ordinarios o de alta resistencia trabajando a traccin. Si se emplean tornillos de alta resistencia, no es preciso que estn pretensados ni que las

superficies en contacto estn preparadas. No se recomienda el uso de uniones de esta categora cuando

hayan de estar sometidas a variaciones frecuentes del esfuerzo de traccin que tienen que transmitir.

Categora E: Son uniones realizadas con tornillos de alta resistencia pretensados trabajando a traccin. El pretensado mejora la rigidez de la unin en estado lmite de servicio y la resistencia a


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fatiga, aunque esta ltima depender en gran medida de los detalles constructivos y de las tolerancias

del ajuste entre piezas.

Slo es preciso preparar las superficies si la unin est sometida a esfuerzos normales al eje de los

tornillos, adems de a traccin (Uniones de categoras E+B E+C).

Para ms informacin, se remite al lector a consultar el articulado de la Instruccin de Acero

Estructural (EAE).

4.2- Agujeros para tornillos

La ejecucin de agujeros para tornillos deber efectuarse preferentemente mediante taladro. No

obstante, se pueden realizar mediante punzonado cuando el agujero sea de un dimetro superior al

espesor de la pieza, que dicho espesor no sea superior a 15 mm y siempre que las piezas a unir no estn

sometidas a solicitaciones variables en el tiempo o cclicas, que puedan originar fenmenos de fatiga

en la unin.

El dimetro estndar de los agujeros ser igual al del vstago del tornillo ms:

- 1 mm para tornillos de 12 y 14 mm de dimetro; - 1 2 mm para tornillos de 16 a 24 mm; - 2 3 mm para tornillos de 27 mm o mayores.

Los agujeros de los tornillos de 12 y 14 mm tambin podrn tener una holgura de 2 mm siempre y

cuando la resistencia del grupo de tornillos a aplastamiento sea inferior a la de cortante.

En uniones atornilladas resistentes por rozamiento pueden emplearse agujeros a sobremedida o

agujeros rasgados, cortos o largos, para facilitar el montaje de las piezas.

Para agujeros a sobremedida, el dimetro del taladro ser igual al del vstago de los tornillos ms:

- 3 mm para tornillos de 12 mm; - 4 mm para tornillos de 14 a 22 mm; - 6 mm para tornillos de 24 mm; - 8 mm para tornillos de 27 mm o mayores.

Cuando se quiera permitir el movimiento relativo entre las piezas a unir, se suele emplear agujeros

rasgados. La anchura de los agujeros rasgados cortos o largos en direccin normal al esfuerzo ser

igual al dimetro de los agujeros estndar correspondientes. En la direccin del esfuerzo, la distancia e

mostrada en la figura siguiente, para agujeros rasgados cortos ser igual a:

- (d + 4) mm para tornillos de 12 14 mm, - (d + 6) mm para tornillos de 16 a 22 mm, - (d + 8) mm para tornillos de 24 mm, - (d + 10) mm para tornillos de 27 mm y mayores.

Para agujeros rasgados largos ser en todos los casos:

e=2,5*d mm, siendo d el dimetro del vstago del tornillo correspondiente.


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Fig.3 Agujeros Rasgados

Para ms informacin, se remite al lector a consultar el articulado de la Instruccin de Acero

Estructural (EAE).

4.3- Disposiciones en el montaje

Como norma general, en los montajes que se realicen los agujeros para tornillos deben disponerse de

forma que se dificulte la corrosin de las piezas a unir y se permitan la colocacin de los tornillos o

bulones de una manera fcil.

En la siguiente tabla y figuras que se exponen se establecen los lmites mximos y mnimos para las

distancias entre agujeros y los bordes:

Fig.4 Disposiciones Constructivas

siendo,

e1: distancia desde el centro de un agujero a un borde contiguo, medida en direccin del

esfuerzo a transmitir;

e2: distancia desde el centro de un agujero a un borde contiguo, medida en direccin

perpendicular al esfuerzo a transmitir;

p1: distancia entre centros de agujeros contiguos, medida en direccin del esfuerzo a transmitir;

p2: distancia entre filas contiguas de tornillos o roblones, medida en direccin perpendicular al

esfuerzo a transmitir;

m: distancia del eje del taladro a cualquier superficie paralela a dicho eje.


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En el caso de agujeros rasgados, las distancias e1, e2, p1 y p2 se medirn desde los centros de los

semicrculos extremos.

Fig.5 Distancias

Fig.6 Agujeros al Tresbolillo

Para que los tornillos puedan apretarse sin dificultad, se recomienda que la distancia m del eje del

taladro a cualquier superficie paralela a dicho eje no sea inferior a 2*d, siendo d el dimetro del

tornillo.

Fig.7 Distancia m


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5- Dimensiones geomtricas de los tornillos

5.1- Tornillos ordinarios. Dimensiones

Se adjunta tabla con las caractersticas geomtricas de los tornillos ordinarios:

Fig.8 Tornillos Ordinarios. Dimensiones

5.2- Tornillos calibrados. Dimensiones

Se adjunta tabla con las caractersticas geomtricas de los tornillos calibrados:

Fig.9 Tornillos Calibrados. Dimensiones


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5.3- Tornillos de alta resistencia. Dimensiones

Se adjunta tabla con las caractersticas geomtricas de los tornillos de alta resistencia:

Fig.10 Tornillos de Alta Resistencia. Dimensiones

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