Bloque de calibre

Los bloques patrón (también conocidos como bloques de calibración , calibres Johansson o bloques Jo ) son un sistema para obtener longitudes de precisión. Cada bloque patrón es un bloque de metal o cerámica rectificado y lapeado con precisión hasta alcanzar un espesor específico. Los bloques patrón se venden en juegos con una gama de longitudes estándar. Para su uso, los bloques se apilan para obtener la longitud (o altura) deseada.

Los bloques patrón fueron inventados en 1896 por el maquinista sueco Carl Edvard Johansson . ^{[ 1 ]} Se utilizan como referencia para la calibración de equipos de medición empleados en talleres mecánicos , como micrómetros , barras sinusoidales , calibradores e indicadores de cuadrante (cuando se utilizan para inspección ). Los bloques patrón son el principal medio de estandarización de longitud utilizado por la industria. ^{[ 1 ]}

Una característica importante de los bloques patrón es que se pueden unir con muy poca incertidumbre dimensional. Los bloques se unen mediante un proceso deslizante llamado torsión , que hace que sus superficies ultraplanas se adhieran entre sí. Un pequeño número de bloques patrón permite crear longitudes precisas dentro de un amplio rango. Utilizando tres bloques a la vez, tomados de un conjunto de 30, se pueden crear cualquiera de las 1000 longitudes desde 3,000 hasta 3,999  mm en  pasos de 0,001 mm (o desde 0,3000 hasta 0,3999 pulgadas en pasos de 0,0001  pulgadas).

Un bloque patrón es un bloque de metal o cerámica con dos caras opuestas rectificadas con precisión, planas y paralelas, separadas por una distancia exacta. Los bloques de grado estándar están hechos de una aleación de acero endurecido, mientras que los bloques de grado de calibración suelen estar hechos de carburo de tungsteno ( WC ), carburo de cromo ( CrC ) o cerámica ( a base _de SiO₂ ) debido a su mayor dureza y menor desgaste. ^{[ 2 ]} Los bloques patrón se presentan en juegos de bloques de diversas longitudes, junto con bloques de desgaste adicionales, lo que permite obtener una amplia variedad de longitudes estándar apilándolos. La longitud de cada bloque es ligeramente menor que la longitud nominal estampada en él, ya que esta última incluye la longitud de una película de fricción , una película lubricante que separa las caras adyacentes del bloque durante su uso normal. El espesor de la película de fricción es de aproximadamente 25 nanómetros (0,98 μin) . ^{[ 3 ]} La longitud nominal del patrón también se conoce como longitud interferométrica . ^{[ 4 ]} 

Para su uso, los bloques se retiran del conjunto, se limpian de su recubrimiento protector ( vaselina o aceite) y se comprimen para formar una pila de las dimensiones requeridas. Los bloques patrón están calibrados para ser precisos a 20 °C (68 °F) y deben mantenerse a esta temperatura al realizar mediciones. Esto minimiza los efectos de la dilatación térmica . Los bloques de desgaste, fabricados con un material más duro como el carburo de tungsteno , se incluyen en cada extremo de la pila, siempre que sea posible, para proteger los bloques patrón de posibles daños durante su uso.  

Los maquinistas y fabricantes de herramientas intentan usar una pila con la menor cantidad de bloques para evitar la acumulación de errores de tamaño. Por ejemplo, una pila de 0,638 compuesta por dos bloques (un bloque de 0,500 comprimido a uno de 0,138) es preferible a una pila de 0,638 compuesta por cuatro bloques (como uno de 0,200, 0,149, 0,151 y 0,138 comprimidos juntos). Cada bloque tiene una tolerancia de tamaño de unas pocas millonésimas de pulgada, por lo que apilarlos introduce una incertidumbre acumulativa. Sin embargo, el error acumulado, incluso de varios bloques, suele ser insignificante, salvo en los usos más exigentes. En un taller con mucho trabajo, algunos bloques se usarán en otros lugares, por lo que se crea una pila con los bloques disponibles en ese momento. Normalmente, la diferencia de unas pocas millonésimas de pulgada no será detectable ni relevante en ese contexto. Los contextos que exigen la máxima precisión son menos frecuentes y requieren gastos adicionales (por ejemplo, más juegos de bloques y bloques de mayor calidad).

Exprimir

El retorcido es el proceso de deslizar dos bloques juntos de manera que sus caras se unan. Debido a sus superficies ultraplanas, cuando se retuercen, los bloques de calibración se adhieren firmemente entre sí. Los bloques correctamente retorcidos pueden soportar una fuerza de tracción de 300 N (67 lbf) . ^{[ 5 ]} El mecanismo es una combinación de: ^{[ 4 ] [ 5 ]}  

• El vacío aplica presión entre los bloques porque el aire se expulsa de la junta ^{[ nota 1 ].}
• Tensión superficial debida al aceite y al vapor de agua presentes entre los bloques.
• Atracción molecular que se produce cuando dos superficies muy planas entran en contacto; esta fuerza hace que los bloques patrón se adhieran incluso sin lubricantes superficiales y en el vacío.

Se cree que las dos últimas fuentes son las más significativas. ^{[ 4 ]} Los experimentos con la fricción de los bloques sugieren también que la eliminación de la película de óxido de la superficie del acero mediante torsión juega un papel importante en la acción de torsión. ^{[ 7 ]}

No hay magnetismo involucrado, aunque para el usuario la unión de los bloques se siente un poco como la de imanes débiles de refrigerador. Sin embargo, a diferencia de los imanes, la unión solo dura mientras los bloques están completamente juntos; los bloques no se atraen entre sí a través de ningún espacio visible, como lo harían los imanes.

El proceso de escurrido consta de cuatro pasos: ^{[ 4 ]}

1. Limpiar un bloque de medición limpio sobre una almohadilla engrasada.
2. Limpie cualquier exceso de aceite del bloque del indicador con una almohadilla seca.
3. A continuación, se desliza el bloque perpendicularmente sobre el otro bloque mientras se aplica una presión moderada hasta que formen una cruz .
4. Finalmente, el bloque se gira hasta que quede alineado con el otro bloque.

Después de su uso, los bloques se vuelven a engrasar o lubricar para protegerlos contra la corrosión . La capacidad de un bloque de calibre determinado para deformarse se denominaLa capacidad de enrollado se define oficialmente como "la capacidad de dos superficies para adherirse firmemente entre sí en ausencia de medios externos". Las condiciones mínimas para la capacidad de enrollado son unacabado superficialde1 micropulgada (0,025μm)AAo mejor, y unaplanitudde al menos5μin (0,13μm). ^{[ 4 ]}   

Existe una prueba formal para medir la capacidad de torsión. Primero, el bloque se prepara para la torsión siguiendo el proceso estándar. Luego, el bloque se desliza sobre una superficie óptica plana de cuarzo de grado de referencia de 2 pulgadas (51 mm) ( planitud de 1 μin [0,025 μm] ) mientras se aplica una presión moderada. A continuación, se observa la parte inferior del bloque patrón (a través de la superficie óptica plana) para detectar la presencia de aceite o color. Para los grados federales 0,5, 1 y 2, y los grados ISO K, 00 y 0, no debe ser visible aceite ni color debajo del bloque patrón. Para el grado federal 3 y los grados ISO 1 y 2, no debe mostrar aceite ni color más del 20 % de la superficie. Esta prueba es difícil de realizar en bloques patrón de menos de 0,1 pulgadas (2,5 mm) de espesor , ya que tienden a no ser planos en estado relajado. ^{[ 4 ]}       

Accesorios

Los accesorios que se muestran en la imagen proporcionan un conjunto de soportes y herramientas para ampliar la utilidad del juego de bloques patrón. Permiten sujetar firmemente pilas grandes, junto con puntos de referencia, punzones y bloques de diversas formas que actúan como mordazas de calibrador, tanto externas como internas. Los de punta cónica facilitan la medición de distancias entre centros de orificios. Una pila de bloques patrón con accesorios de mordazas de calibrador externas, todos sujetos entre sí, funciona como un calibre pasa/no pasa de tamaño personalizado de rápido montaje .

Se utiliza una piedra de bloque de calibre especial que no daña la superficie para eliminar muescas y rebabas y mantener la capacidad de escurrido. ^{[ 4 ]}

Se utilizan dos almohadillas de escurrido para preparar un bloque patrón para el escurrido. La primera es una almohadilla de aceite , que aplica una capa ligera de aceite al bloque. La segunda es una almohadilla seca , que elimina cualquier exceso de aceite del bloque después de haber utilizado la almohadilla de aceite. ^{[ 4 ]}

Los bloques patrón están disponibles en varios grados, según su uso previsto. ^{[ 8 ]} El criterio de clasificación es la precisión de las tolerancias en sus dimensiones; por lo tanto, los grados superiores se fabrican con tolerancias más estrictas y tienen mayor exactitud y precisión . Entre las diversas normas de clasificación se incluyen: JIS B 7506-1997 (Japón)/DIN 861-1980 (Alemania), ASME (EE. UU.), BS 4311: Parte 1: 1993 (Reino Unido). Las tolerancias variarán dentro del mismo grado a medida que aumente el espesor del material.

• referencia (AAA): pequeña tolerancia (±0,05  μm o±1,97  μin ) utilizado para establecer estándares
• calibración (AA): (tolerancia+0,10 a −0,05  μm o+3,94 a −1,97  μin ) utilizado para calibrar bloques de inspección y medición de muy alta precisión.
• inspección (A): (tolerancia+0,15 a −0,05  μm o+5,91 a −1,97  μin ) utilizados como estándares de taller de herramientas para ajustar otras herramientas de medición.
• taller (B): tolerancia grande (tolerancia+0,25 a −0,15  μm o+9,84 a −5,91  μin ) utilizados como estándares de taller para mediciones de precisión

Entre las designaciones de grado más recientes se incluye (Especificación Federal de EE. UU. GGG-G-15C):

• 0,5 – generalmente equivalente a grado AAA
• 1 – generalmente equivalente al grado AA
• 2 – generalmente equivalente a la calificación A+
• 3 – calificación intermedia entre A y B

y ANSI/ASME B89.1.9M, que define tanto las desviaciones absolutas de las dimensiones nominales como los límites de paralelismo como criterios para la determinación del grado. En general, los grados son equivalentes a los antiguos grados federales de EE. UU. de la siguiente manera:

• 00 – generalmente equivalente al grado 1 (los requisitos de planitud y precisión más exigentes)
• 0 – generalmente equivalente al grado 2
• AS-1 – generalmente equivalente al grado 3 (según se informa, significa American Standard - 1)
• AS-2 – generalmente menos preciso que el grado 3
• K – generalmente equivalente a un grado 00 de planitud (paralelismo) con una precisión de grado AS-1

La norma ANSI/ASME sigue una filosofía similar a la establecida en la norma ISO 3650. Consulte la referencia del NIST a continuación para obtener información más detallada sobre las tolerancias para cada grado y tamaño de bloque. Consulte también la página E-4 de: Tolerancias de bloques de calibración comerciales (La longitud se refiere al espesor calibrado).

Los bloques patrón suelen estar hechos de aceros para herramientas de aleación endurecida , cerámica o carburos cementados (como el carburo de tungsteno o el carburo de tantalio ). A menudo, el carburo tiene una dureza de 1500 Vickers . Los bloques de series largas están hechos de acero de alta calidad con una sección transversal de 35  ×  9  mm y orificios para sujetar dos cuñas juntas. También están disponibles en acero al carbono. Los bloques de acero están endurecidos y templados . La dureza es importante porque reduce el desgaste del calibre durante su uso (por eso otros tipos de calibres, como pasadores, tapones roscados y anillos, también están endurecidos). El corte de los bloques a la medida se realiza mediante rectificado seguido de lapeado . Normalmente no se utiliza ningún tipo de recubrimiento. Los bloques se mantienen ligeramente lubricados y se almacenan y utilizan en condiciones secas y con temperatura controlada; los bloques patrón de acero sin recubrimiento pueden durar décadas sin oxidarse.

El juego de bloques de calibración, también conocido como "Jo Blocks", fue desarrollado por el inventor sueco Carl Edvard Johansson . ^{[ 9 ]} Johansson fue contratado en 1888 como inspector de armería por el arsenal estatal Carl Gustafs stads Gevärsfaktori (Fábrica de Rifles de la ciudad de Carl Gustaf) en la ciudad de Eskilstuna , Suecia. Se ocupaba de las costosas herramientas para medir piezas para los rifles Remington que entonces se producían bajo licencia en Carl Gustaf. Cuando Suecia adoptó una variante adaptada de la carabina Mauser en 1894, Johansson estaba muy entusiasmado con la oportunidad de estudiar los métodos de medición de Mauser, en preparación para la producción bajo licencia en Carl Gustaf (que comenzó varios años después). Sin embargo, una visita a la fábrica de Mauser en Oberndorf am Neckar , Alemania, resultó ser una decepción. En el tren de regreso a casa, pensó en el problema y se le ocurrió la idea de un juego de bloques que pudieran combinarse para formar cualquier medida.

Hasta ese momento, ya existía una larga tradición de uso creciente de calibres, como los calibres para limar y los calibres pasa/no pasa , que se fabricaban individualmente a medida en un taller de herramientas para su uso en la planta de producción; pero nunca habían existido bloques patrón de superprecisión que pudieran ensamblarse para obtener diferentes longitudes, como Johansson ahora imaginaba.

De vuelta en casa, Johansson transformó la máquina de coser Singer de su esposa en una máquina de rectificado y lapeado. Prefería realizar este trabajo de precisión en casa, ya que las rectificadoras de la fábrica de rifles no eran lo suficientemente buenas. Su esposa, Margareta, lo ayudó con el prototipo inicial. Una vez que Johansson demostró su invento en Carl Gustaf, su empleador le proporcionó tiempo y recursos para desarrollar la idea. El 2 de mayo de 1901, Johansson obtuvo su primera patente sueca, la patente SE n.° 17017, titulada «Juegos de bloques patrón para medición de precisión». El 16 de marzo de 1917, Johansson fundó la empresa sueca CE Johansson AB (también conocida como «CEJ»).

Johansson pasó muchos años en Estados Unidos; durante su vida cruzó el Atlántico 22 veces. El primer juego de bloques de calibración CEJ en Estados Unidos se vendió a Henry M. Leland en la Cadillac Automobile Company alrededor de 1908. La primera planta de fabricación en Estados Unidos para sus juegos de bloques de calibración se estableció en Poughkeepsie , condado de Dutchess, Nueva York, en 1919. El entorno económico de la recesión y depresión posterior a la Primera Guerra Mundial de 1920-21 no resultó favorable para la empresa, por lo que en 1923 escribió una carta a Henry Ford de la Ford Motor Company , donde le propuso una cooperación para salvar su empresa. Henry Ford se interesó, y el 18 de noviembre de 1923 comenzó a trabajar para Henry Ford en Dearborn, Michigan . Hounshell (1984), citando a Althin (1948) y diversas fuentes primarias de archivo, afirma: «Henry Ford compró la famosa operación de fabricación de calibres del sueco C. E. Johansson en 1923 y pronto la trasladó a las instalaciones del laboratorio en Dearborn. Entre 1923 y 1927, la división Johansson suministró "Jo-blocks" al taller de herramientas de Ford y a cualquier fabricante que pudiera permitírselos. También fabricó algunos de los calibres "pasa" y "no pasa" de Ford utilizados en la producción, así como otros dispositivos de producción de precisión». ^{[ 10 ]} 

A principios del siglo XX, la pulgada estadounidense se definió efectivamente como25.400 0508  mm (con una temperatura de referencia de 68 °F [20 °C ] ) y la pulgada del Reino Unido en  25,399 977  mm (con una temperatura de referencia de 62 °F [17 °C] ). ^{[ 11 ]} Cuando Johansson comenzó a fabricar bloques patrón en pulgadas en 1912, el compromiso de Johansson fue fabricar bloques patrón con un tamaño nominal de  25,4  mm , con una temperatura de referencia de 20 °C (68 °F) , con una precisión de unas pocas partes por millón respecto a ambas definiciones oficiales. Debido a la gran popularidad de los bloques de Johansson, estos se convirtieron en el estándar de facto para los fabricantes a nivel internacional, ^{[ 11 ] [ 12 ]} y otros fabricantes de bloques patrón siguieron la definición de Johansson produciendo bloques diseñados para ser equivalentes a los suyos. ^{[ 13 ]}  

En 1930, la British Standards Institution adoptó una pulgada de exactamente25,4  mm . La Asociación Estadounidense de Estándares hizo lo mismo en 1933. Para 1935, la industria en 16 países había adoptado la "pulgada industrial", como llegó a ser conocida, ^{[ 14 ] [ 15 ]} respaldando efectivamente la elección pragmática de Johansson de la relación de conversión. ^{[ 11 ]}

En 1936, a la edad de 72 años, Johansson sintió que era hora de retirarse y regresar a Suecia. En 1943, poco después de su muerte, recibió la gran medalla de oro de la Real Academia Sueca de Ciencias de la Ingeniería .

En 1948, Brown & Sharpe compró los derechos de la  marca C. E. Johansson a Ford Motor Co., ^{[ 16 ]} y se fabricaron bloques con la marca conjunta de C.  E. Johansson y Brown & Sharpe . Estos bloques con la marca conjunta de C.  E. Johansson y Ford todavía se utilizan ocasionalmente hoy en día.

Al igual que los bloques patrón, se trata de barras cilíndricas rectificadas con precisión, que se utilizan como calibres de tapón para medir diámetros de agujeros, o como partes de calibres pasa/no pasa o aplicaciones similares.

Se suministran en juegos de rodillos o bolas individuales, como los que se utilizan en rodamientos de rodillos o de bolas, o en la fabricación de herramientas y matrices . Las bolas de calibración se pueden usar para calibrar goniómetros de ángulo de contacto , máquinas CNC y equipos similares.

• Pieza óptica plana : pieza de vidrio de calidad óptica extremadamente plana. 
• Soldadura en frío : Proceso de soldadura en el que la unión se produce sin fundir ni calentar la interfaz. 
• Unión por contacto óptico : proceso mediante el cual dos superficies muy similares se mantienen unidas por fuerzas intermoleculares. 

• Althin, Torsten KW (1948), CE Johansson, 1864-1943: El maestro de la medición , Estocolmo: Ab. CE Johansson [corporación CE Johansson], LCCN 74219452 .
• Doiron, Ted; Beers, John (2009), "Manual de bloques de calibración" (PDF) , Instituto Nacional de Estándares y Tecnología
• Hounshell, David A. (1984), Del sistema estadounidense a la producción en masa, 1800-1932: El desarrollo de la tecnología de fabricación en los Estados Unidos , Baltimore, Maryland: Johns Hopkins University Press , ISBN 978-0-8018-2975-8, LCCN 83016269 , OCLC 1104810110  
• Krar, Steve F.; Gill, Arthur R.; Smid, Peter (2005), Tecnología de máquinas herramienta (6.ª  ed.), McGraw-Hill Career Education, ISBN 978-0-07-723225-2.

• Doiron, T. (2007). "20°C: Breve historia de la temperatura de referencia estándar para mediciones dimensionales industriales" (PDF) . Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology . 112 (1). National Institute of Science and Technology: 1– 23. doi : 10.6028/jres.112.001 . PMC 4654601. PMID 27110451. Archivado del original (PDF) el 17 de febrero de 2013. Recuperado el 30 de junio de 2012 .  
• David Hounshell (1 de septiembre de 1985). Del sistema estadounidense a la producción en masa, 1800-1932: El desarrollo de la tecnología manufacturera en los Estados Unidos . JHU Press. ISBN 978-0-8018-3158-4.
• Simon Winchester (2018). Los perfeccionistas: Cómo los ingenieros de precisión crearon el mundo moderno . Harper Collins. ISBN 978-1-63546-320-0.

• El placer de la alta tecnología
• Manual de bloques de calibración; Monografía 180 del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU. (NIST) con correcciones; 2004