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Tornillo

Un surtido de tornillos y una moneda de veinticinco centavos de dólar estadounidense para comparar el tamaño. Un tornillo para madera: a) cabeza; b) vástago sin rosca; c) vástag...

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Un surtido de tornillos y una moneda de veinticinco centavos de dólar estadounidense para comparar el tamaño.
Un tornillo para madera: a) cabeza; b) vástago sin rosca; c) vástago roscado; d) punta

Un tornillo es un elemento de fijación con rosca helicoidal externa que se puede apretar o aflojar mediante una fuerza de torsión ( par ) aplicada a la cabeza . El uso más común de los tornillos es unir objetos, y existen muchas formas para una variedad de materiales. Los tornillos pueden insertarse en orificios de piezas ensambladas o bien, un tornillo puede formar su propia rosca. [ 1 ]

La cabeza del tornillo tiene en un extremo una ranura u otra característica que generalmente requiere una herramienta para transferir la fuerza de torsión. Las herramientas comunes para atornillar incluyen destornilladores , llaves inglesas , llaves fijas , monedas y llaves hexagonales . La cabeza suele ser más grande que el cuerpo, lo que proporciona una superficie de apoyo y evita que el tornillo se introduzca más allá de su longitud; una excepción es el tornillo prisionero (también conocido como tornillo de fijación ). La parte cilíndrica del tornillo, desde la parte inferior de la cabeza hasta la punta, se llama vástago ; puede estar total o parcialmente roscado, y la distancia entre cada rosca se llama paso . [ 2 ] [ 3 ]

La mayoría de los tornillos se aprietan girándolos en el sentido de las agujas del reloj , lo que se denomina rosca derecha . [ 4 ] [ 5 ] Los tornillos con rosca izquierda se utilizan en casos excepcionales, como cuando el tornillo estará sometido a un par de torsión en sentido contrario a las agujas del reloj, que tendería a aflojar un tornillo con rosca derecha. Por esta razón, el pedal izquierdo de una bicicleta tiene rosca izquierda . [ 6 ]

El mecanismo de tornillo es una de las seis máquinas simples clásicas definidas por los científicos del Renacimiento . [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]

Historia

Un torno de 1871, equipado con husillo y engranajes de cambio para roscado de un solo punto.
Una máquina de tornillos de un solo husillo Brown & Sharpe

Los sujetadores se habían generalizado, incluyendo conceptos como pasadores y clavijas, cuñas, mortajas y espigas , colas de milano , clavado (con o sin apretar los extremos del clavo), soldadura por forja y muchos tipos de atado con cordón hecho de cuero o fibra, utilizando muchos tipos de nudos . El tornillo fue una de las últimas máquinas simples en ser inventada. [ 10 ] Apareció por primera vez en Mesopotamia durante el período neoasirio (911-609) a. C., [ 11 ] y luego apareció en el Antiguo Egipto y la Antigua Grecia [ 12 ] [ 13 ] donde fue descrito por el matemático griego Arquitas de Tarento (428-350 a. C.). Para el siglo I a. C., los tornillos de madera eran comúnmente utilizados en todo el mundo mediterráneo en prensas de tornillo para prensar aceite de oliva de aceitunas y para prensar jugo de uvas en la elaboración de vino . La primera documentación del destornillador se encuentra en el Libro de la Casa del Castillo de Wolfegg , un manuscrito medieval escrito entre 1475 y 1490. [ 14 ] Sin embargo, probablemente no se popularizaron hasta después de 1800, una vez que los sujetadores roscados se convirtieron en productos básicos. [ 15 ]

Los tornillos metálicos utilizados como sujetadores eran raros en Europa antes del siglo XV, si es que se conocían. [ 16 ] El tornillo metálico no se convirtió en un sujetador común hasta que se desarrollaron las máquinas herramienta para la producción en masa hacia finales del siglo XVIII. Este desarrollo floreció en las décadas de 1760 y 1770. [ 17 ] a lo largo de dos caminos separados que pronto convergieron : [ 18 ]

El primer camino fue iniciado por los hermanos Job y William Wyatt de Staffordshire , Reino Unido, [ 19 ] quienes patentaron en 1760 una máquina que hoy podríamos llamar una máquina de tornillos de un tipo temprano y visionario. Utilizaba un husillo para guiar la fresa y producir el paso deseado, [ 19 ] y la ranura se cortaba con una lima rotativa mientras el husillo principal permanecía inmóvil (anticipando las herramientas motorizadas en los tornos 250 años después). No fue hasta 1776 que los hermanos Wyatt lograron poner en marcha una fábrica de tornillos para madera. [ 19 ] Su empresa fracasó, pero nuevos propietarios pronto la hicieron prosperar, y en la década de 1780 producían 16 000 tornillos al día con solo 30 empleados [ 20 ] —el tipo de productividad industrial y volumen de producción que más tarde se convertiría en característico de la industria moderna, pero que en aquel entonces era revolucionario.

Mientras tanto, el fabricante de instrumentos inglés Jesse Ramsden (1735–1800) trabajaba en la fabricación de herramientas e instrumentos para el problema del roscado, y en 1777 inventó el primer torno roscador satisfactorio . [ 21 ] El ingeniero británico Henry Maudslay (1771–1831) ganó fama al popularizar dichos tornos con sus tornos roscadores de 1797 y 1800, que contenían la tríada de husillo, carro deslizante y tren de engranajes de cambio, todo en las proporciones adecuadas para el mecanizado industrial. En cierto sentido, unificó los caminos de los Wyatt y Ramsden e hizo por los tornillos de máquina lo que ya se había hecho por los tornillos para madera, es decir, una significativa facilitación de la producción que impulsó la mercantilización . Su empresa siguió siendo líder en máquinas herramienta durante décadas. Una cita errónea de James Nasmyth popularizó la idea de que Maudslay había inventado el carro deslizante, pero esto era incorrecto; Sin embargo, sus tornos contribuyeron a popularizarlo.

Estos desarrollos de la era 1760-1800, con los Wyatt y Maudslay como los impulsores más importantes, provocaron un gran aumento en el uso de sujetadores roscados. La estandarización de las formas de rosca comenzó casi de inmediato, pero no se completó rápidamente; ha sido un proceso evolutivo desde entonces. Las mejoras adicionales en la producción en masa de tornillos continuaron reduciendo los precios unitarios durante las décadas siguientes, a lo largo del siglo XIX. [ 22 ] Así comenzó la producción en masa: la de tornillos para madera (tornillos de metal para fijar madera) en una máquina herramienta especializada, de un solo propósito y de alto volumen de producción; y la de la producción de bajo número, al estilo de un taller de herramientas , de tornillos o pernos para máquinas (rosca en V) con fácil selección entre varios pasos (lo que el maquinista necesitara en un día determinado).

En 1821, Hardman Philips construyó la primera fábrica de tornillos en los Estados Unidos, en Moshannon Creek, cerca de Philipsburg , para la fabricación de tornillos de metal de punta roma. Thomas Lever, un experto en la fabricación de tornillos, fue traído de Inglaterra para dirigir la fábrica. El molino utilizaba energía de vapor e hidráulica, con carbón vegetal de madera dura como combustible. Los tornillos se fabricaban a partir de alambre preparado mediante un aparato de laminado y trefilado a partir de hierro fabricado en una forja cercana. La fábrica de tornillos no tuvo éxito comercial; finalmente fracasó debido a la competencia del tornillo de punta de aguja, más económico, y cesó sus operaciones en 1836. [ 23 ]

El desarrollo estadounidense del torno revólver (década de 1840) y de las máquinas automáticas de tornillos derivadas del mismo (década de 1870) redujo drásticamente el costo unitario de los elementos de fijación roscados mediante la automatización progresiva del control de la máquina herramienta. Esta reducción de costos impulsó un uso cada vez mayor de los tornillos.

A lo largo del siglo XIX, las formas más comunes de cabezas de tornillos (es decir, tipos de accionamiento ) eran las ranuras rectas simples de llave interna y los cuadrados y hexágonos de llave externa. Estos eran fáciles de mecanizar y servían adecuadamente para la mayoría de las aplicaciones. Rybczynski describe una avalancha de patentes para tipos de accionamiento alternativos entre las décadas de 1860 y 1890, [ 24 ] pero explica que estos fueron patentados pero no fabricados debido a las dificultades y el costo que implicaba hacerlo en ese momento. En 1908, el canadiense PL Robertson fue el primero en hacer realidad el accionamiento de cabeza cuadrada de llave interna al desarrollar el diseño adecuado (ligeros ángulos de conicidad y proporciones generales) para permitir que la cabeza se estampara de manera fácil pero exitosa, con el metal conformándose en frío según se deseaba en lugar de ser cortado o desplazado de maneras no deseadas. [ 24 ] La fabricación práctica del accionamiento hexagonal de llave interna ( cabeza hexagonal ) siguió poco después en 1911. [ 25 ] [ 26 ]

A principios de la década de 1930, el estadounidense Henry F. Phillips popularizó el tornillo de cabeza Phillips , con un accionamiento interno en forma de cruz. [ 27 ] Posteriormente se desarrollaron tornillos de cabeza Phillips mejorados, más compatibles con destornilladores que no tenían el tamaño de cabeza exacto: Pozidriv y Supadriv . Los tornillos y destornilladores Phillips son, hasta cierto punto, compatibles con los de los tipos más nuevos, pero existe el riesgo de dañar las cabezas de los tornillos apretados con fuerza.

La estandarización de las roscas mejoró aún más a finales de la década de 1940, cuando se definieron la rosca métrica ISO y la norma unificada de roscas.

Los tornillos de precisión, destinados a controlar el movimiento más que a sujetar, se desarrollaron a principios del siglo XIX y representaron uno de los avances técnicos centrales, junto con las superficies planas, que hicieron posible la Revolución Industrial . [ 28 ] Son componentes clave de los micrómetros y los tornos.

Fabricar

La fabricación de un tornillo consta de tres pasos: conformado , laminado de rosca y recubrimiento . Los tornillos se fabrican normalmente a partir de alambre , que se suministra en grandes bobinas, o de barras redondas para tornillos de mayor tamaño. El alambre o la barra se corta a la longitud adecuada para el tipo de tornillo que se está fabricando; esta pieza se conoce como pieza en bruto . A continuación, se somete a conformado en frío , un proceso de trabajo en frío . El conformado produce la cabeza del tornillo. La forma de la matriz en la máquina determina qué características se imprimen en la cabeza del tornillo; por ejemplo, un tornillo de cabeza plana utiliza una matriz plana. Para formas más complejas, se requieren dos procesos de conformado para incorporar todas las características a la cabeza del tornillo. Este método de producción se utiliza porque el conformado tiene una tasa de producción muy alta y prácticamente no genera desperdicio de material. Los tornillos de cabeza ranurada requieren un paso adicional para cortar la ranura en la cabeza; esto se realiza en una máquina ranuradora . Estas máquinas son esencialmente fresadoras simplificadas diseñadas para procesar la mayor cantidad posible de piezas en bruto.

Las piezas en bruto se pulen nuevamente antes del roscado. Las roscas generalmente se producen mediante laminado ; sin embargo, algunas se cortan . Posteriormente, la pieza se somete a un proceso de pulido final con abrasivos de madera y cuero para una limpieza y pulido óptimos. Para la mayoría de los tornillos, se aplica un recubrimiento, como el galvanizado o la aplicación de óxido negro , para prevenir la corrosión.

Tipos de tornillos

Caña

Los elementos de fijación roscados pueden tener un vástago cónico o uno no cónico. Los elementos de fijación con vástago cónico están diseñados para ser introducidos directamente en un sustrato o en un orificio guía, y la mayoría se clasifican como tornillos. Al introducir estos elementos, se forman roscas en el sustrato. Los elementos de fijación con vástago no cónico generalmente están diseñados para acoplarse con una tuerca o para ser introducidos en un orificio roscado, y la mayoría se clasifican como pernos , aunque algunos son roscados (por ejemplo, los taptite ) y algunas autoridades los consideran tornillos cuando se utilizan con un elemento de fijación roscado hembra distinto de una tuerca.

Los tornillos para chapa metálica no tienen la ranura de evacuación de virutas de los tornillos autorroscantes. Sin embargo, algunos vendedores mayoristas no distinguen entre ambos tipos. [ 29 ]

Tornillo para madera

Un tornillo para madera es un tornillo de metal que se usa para fijar madera, con una punta afilada y una rosca cónica diseñada para cortar su propia rosca en la madera. Algunos tornillos se introducen en madera intacta; los tornillos más grandes generalmente se introducen en un agujero más estrecho que la rosca del tornillo y cortan la rosca en la madera. Los primeros tornillos para madera se fabricaban a mano, con una serie de limas, cinceles y otras herramientas de corte, y estos se pueden identificar fácilmente por el espaciado y la forma irregulares de las roscas, así como por las marcas de lima que quedan en la cabeza del tornillo y en el área entre las roscas. Muchos de estos tornillos tenían un extremo romo, careciendo por completo de la punta cónica afilada de casi todos los tornillos para madera modernos. [ 30 ] Algunos tornillos para madera se fabricaban con matrices de corte ya a finales del siglo XVIII (posiblemente incluso antes de 1678, cuando el contenido del libro se publicó por primera vez por partes). [ 31 ] Finalmente, se utilizaron tornos para fabricar tornillos para madera, y la primera patente se registró en 1760 en Inglaterra. [ 30 ] Durante la década de 1850, se desarrollaron herramientas de forjado para proporcionar una rosca más uniforme y consistente. Los tornillos fabricados con estas herramientas tienen valles redondeados con roscas afiladas y rugosas. [ 32 ] [ 33 ]

Una vez que las máquinas de torneado de tornillos se generalizaron, la mayoría de los tornillos para madera disponibles comercialmente se fabricaban con este método. Estos tornillos, cortados a medida, son casi siempre cónicos, e incluso cuando el vástago cónico no es evidente, se puede distinguir porque la rosca no sobrepasa el diámetro del vástago. Se recomienda instalar estos tornillos después de perforar un orificio guía con una broca cónica. La mayoría de los tornillos para madera modernos, a excepción de los de latón, se fabrican en máquinas de laminado de roscas. Estos tornillos tienen un diámetro constante y roscas con un diámetro mayor que el vástago, y son más resistentes porque el proceso de laminado no corta la veta del metal.

Tornillo autorroscante

Un tornillo autorroscante está diseñado para crear su propia rosca, generalmente en un metal o plástico relativamente blando, de la misma manera que un tornillo para madera (los tornillos para madera son en realidad autorroscantes, aunque no se les denomine así). Los tornillos autorroscantes y también los tornillos para chapa metálica (tornillos de roscar) pueden usar las mismas roscas, por ejemplo, según la norma ISO 1478:1999, designación (ST). [ 34 ]

Tornillo de máquina

Un tornillo de máquina de cabeza plana

Las normas ASME especifican una variedad de tornillos para máquinas [ 35 ] con diámetros que van hasta 0,75 pulgadas (19,05 mm) .  

Un tornillo para máquina es un pequeño elemento de fijación de menos de 6,35 mm (1/4 de pulgada ) de diámetro , similar a un perno, pero que generalmente tiene una cabeza ranurada (de cabeza plana, Phillips, etc.) para poder girarlo con un destornillador. Los tornillos para máquina tienen rosca a lo largo de todo el vástago y están diseñados para enroscarse en roscas existentes, ya sea en una tuerca o en un orificio roscado . También existen tornillos para máquina con cabeza hueca (véase más arriba), a menudo denominados tornillos de cabeza hueca. 

Tornillo de cabeza hexagonal

La norma ASME B18.2.1-1996 especifica tornillos de cabeza hexagonal cuyo rango de tamaño es de 0,25 a 3 pulgadas (6,35 a 76,20 mm) de diámetro . En 1991, en respuesta a una afluencia de sujetadores falsificados, el Congreso aprobó la PL 101-592, [ 36 ] la "Ley de Calidad de Sujetadores". Como resultado, el comité ASME B18 reescribió la B18.2.1, [ 37 ] cambiando el nombre de los pernos hexagonales terminados a tornillos de cabeza hexagonal , un término que había existido en uso común mucho antes, pero que ahora también se estaba codificando como un nombre oficial para la norma ASME B18.   

Los pernos de orejeta y los pernos de cabeza son otros términos que se refieren a elementos de fijación diseñados para enroscarse en un orificio roscado que forma parte del conjunto; por lo tanto, según la distinción del Manual de Maquinaria, serían tornillos. En este caso, los términos comunes difieren de la distinción del Manual de Maquinaria . [ 38 ] [ 39 ]

Tornillo de cabeza hexagonal

Tornillo de cabeza hexagonal, también llamado tornillo de cabeza hexagonal.

Un tornillo de cabeza hexagonal (EE. UU.) o tornillo de carpintero (Reino Unido, Australia y Nueva Zelanda), también llamado perno de cabeza hexagonal (EE. UU. y Reino Unido) o tornillo francés para madera (Escandinavia), es un tornillo grande para madera. Los tornillos de cabeza hexagonal se utilizan para unir (atornillar) estructuras de madera , para fijar las patas de la maquinaria a los suelos de madera y para otras aplicaciones de carpintería pesada. El modificador atributivo « taladro » proviene de un uso principal inicial de estos sujetadores: la fijación de piezas como duelas de barril y otras piezas similares. Estos sujetadores son «tornillos» según los criterios del Manual de Maquinaria , y el término obsoleto «perno de cabeza hexagonal» ha sido reemplazado por «tornillo de cabeza hexagonal» en el Manual . [ 40 ] Sin embargo, por tradición, muchos comerciantes siguen refiriéndose a ellos como «pernos», porque, al igual que los pernos de cabeza, son grandes, con cabezas hexagonales o cuadradas que requieren una llave, un dado o una broca especializada para girarlos.

La cabeza suele ser hexagonal externa. Los tornillos de cabeza hexagonal métricos están cubiertos por la norma DIN 571. Los tornillos de cabeza cuadrada y hexagonal en pulgadas están cubiertos por la norma ASME B18.2.1. Un tornillo de cabeza hexagonal típico puede tener un diámetro de 4 a 20 mm  o de #10 a 1,25 in (4,83 a 31,75  mm), y longitudes de 16 a 200 mm  o de 1/4 a 6 in (6,35 a 152,40 mm) o más, con roscas gruesas de un tornillo para madera o para chapa metálica (pero más grandes). Los materiales suelen ser un sustrato de acero al carbono con un recubrimiento de galvanizado de zinc (para resistencia a la corrosión). El recubrimiento de zinc puede ser amarillo brillante (electrochapado) o gris mate ( galvanizado en caliente ).  

Tornillo para huesos

Implante que se ha utilizado para la fijación de una muñeca fracturada.

Los tornillos óseos se utilizan en medicina para fijar huesos fracturados en humanos y animales. Al igual que en la industria aeroespacial y la energía nuclear, su uso médico requiere tecnología de vanguardia en elementos de fijación; se exige un rendimiento, durabilidad y calidad excelentes, lo cual se refleja en los precios. Los tornillos óseos suelen estar fabricados de acero inoxidable o titanio relativamente poco reactivos y a menudo incorporan características avanzadas como roscas cónicas, roscas de múltiples entradas, canulación (núcleo hueco) y tipos de accionamiento patentados , algunos exclusivos de estas aplicaciones.

a — sartén b — cúpula (botón) c — redonda d — armadura (champiñón) e — plana (avellanada) f — ovalada (cabeza elevada)
Tornillo combinado hexagonal con brida y cabeza Phillips utilizado en ordenadores.

Existen diversos tipos de cabezas de tornillo. Algunos modelos se fabrican con una cabeza desmontable que se desprende al aplicar el par de apriete adecuado, para evitar su extracción después de la instalación, a menudo para prevenir manipulaciones.

Cabezal de pan (abreviatura de "panel")
Un disco bajo con un borde exterior alto y redondeado y una gran superficie.
Botón ocabeza de cúpula (BH)
Cilíndrico con la parte superior redondeada.
Cabeza redonda
Una cabeza en forma de cúpula utilizada para decoración. [ 41 ]
Cabezal de armadura
Cúpula de perfil bajo diseñada para evitar manipulaciones.
Cabeza plana
Un tornillo con cabeza plana que requiere avellanado para que pueda ser introducido con la cabeza al ras de la superficie en la que se atornilla. El ángulo del tornillo se mide como la abertura del cono .
Ovalado ocabeza levantada
Una cabeza de tornillo decorativa con fondo avellanado y parte superior redondeada. [ 41 ] También conocida como "avellanado elevado" o "cabeza de instrumento" en el Reino Unido.
Cabeza de corneta
Similar al avellanado, pero con una progresión suave desde el vástago hasta el ángulo de la cabeza, similar a la campana de una corneta.
cabeza de queso
Cilíndrico.
cabeza de Fillister
Cilíndrica, pero con una superficie superior ligeramente convexa.
Cabeza con brida
Un cabezal con brida puede basarse en cualquier estilo de cabezal no avellanado, con la adición de una brida integrada en la base del cabezal que elimina la necesidad de una arandela plana .
Cabeza hexagonal
De forma hexagonal, similar a la cabeza de un perno hexagonal. A veces con brida.
Avellanado
La mayoría de los tipos de cabezas permiten el avellanado en la parte inferior. Esto es especialmente relevante para las cabezas planas, que pueden quedar al ras con la superficie en la que se atornillan.
formas de cabeza mixtas (combinadas)
bandeja y armazón, etc.

Tamaños

Métrico

Las normas internacionales para elementos de fijación métricos con rosca externa son la ISO 898-1 para las clases de propiedades fabricadas con aceros al carbono y la ISO 3506-1 para las clases de propiedades fabricadas con aceros resistentes a la corrosión.

Pulgada

Existen numerosas normas que rigen las propiedades mecánicas y materiales de los elementos de fijación roscados externamente de tamaño imperial. Algunas de las normas más comunes para los aceros al carbono son ASTM A193, ASTM A307, ASTM A354, ASTM F3125 y SAE J429. Para los aceros resistentes a la corrosión, algunas de las normas más comunes son ASTM F593 y ASTM A193.

Herramientas

Un destornillador eléctrico atornilla un tornillo autorroscante de cabeza Phillips en madera.

La herramienta manual que se usa para atornillar la mayoría de los tornillos se llama destornillador . Una herramienta eléctrica que realiza la misma función es un destornillador eléctrico ; también se pueden usar taladros eléctricos con accesorios para atornillar. Cuando la fuerza de sujeción de la unión atornillada es fundamental, se utilizan destornilladores con medidor y limitador de par para asegurar que el tornillo genere la fuerza suficiente, pero no excesiva. La herramienta manual para apretar tornillos de cabeza hexagonal es una llave inglesa (en el Reino Unido) o una llave de tuercas (en Estados Unidos), mientras que con un destornillador eléctrico se usa un ajustador de tuercas .

Los tornillos modernos emplean una amplia variedad de diseños de cabeza , cada uno de los cuales requiere una herramienta diferente para su instalación o extracción. En Estados Unidos, los tipos de cabeza más comunes son la ranurada y la Phillips; también son comunes las hexagonales, Robertson y Torx en algunas aplicaciones. Algunos tipos de cabeza están diseñados para el ensamblaje automático en la producción en masa de artículos como automóviles. Otros tipos de cabeza más especializados se utilizan en situaciones donde no se desea la manipulación, como en aparatos electrónicos que no deben ser reparados por el usuario.

Roscas de tornillo

Existen numerosos sistemas para especificar las dimensiones de los tornillos, pero en gran parte del mundo, la serie preferida de roscas métricas ISO ha desplazado a muchos sistemas más antiguos. Otros sistemas relativamente comunes incluyen la norma británica Whitworth , el sistema BA (Asociación Británica) y la norma unificada de roscas .

Rosca de tornillo métrica ISO

Los principios básicos de la rosca métrica ISO se definen en la norma internacional ISO 68-1 , y las combinaciones preferidas de diámetro y paso se enumeran en la ISO 261. El subconjunto más pequeño de combinaciones de diámetro y paso comúnmente utilizadas en tornillos, tuercas y pernos se da en la ISO 262. El valor de paso más común para cada diámetro es el paso grueso . Para algunos diámetros, también se especifican una o dos variantes adicionales de paso fino , para aplicaciones especiales como roscas en tuberías de pared delgada. Las roscas métricas ISO se designan con la letra M seguida del diámetro mayor de la rosca en milímetros (por ejemplo, M8 ). Si la rosca no utiliza el paso grueso normal (por ejemplo, 1,25  mm en el caso de M8), entonces el paso en milímetros también se agrega con un signo de multiplicación (por ejemplo, "M8×1" si la rosca tiene un diámetro exterior de 8  mm y avanza 1  mm por cada rotación de 360°).

Los pernos, tornillos y tuercas hexagonales métricos se especifican, por ejemplo, en las normas internacionales ISO 4014, ISO 4017 e ISO 4032. La siguiente tabla muestra la relación que establecen estas normas entre el tamaño de la rosca y el ancho máximo entre las caras hexagonales (tamaño de la llave):

Además, se especifican los siguientes tamaños intermedios no preferidos:

Tenga en cuenta que estos son solo ejemplos y que el ancho entre caras planas es diferente para los pernos estructurales, los pernos con brida y también varía según la organización que los normaliza.

Whitworth

La primera persona en crear un estándar (alrededor de 1841) fue el ingeniero inglés Sir Joseph Whitworth . Los tamaños de tornillos Whitworth todavía se utilizan, tanto para reparar maquinaria antigua como cuando se requiere una rosca más gruesa que la rosca métrica. Whitworth se convirtió en el Estándar Británico Whitworth , abreviado como BSW (BS 84:1956), y la rosca del Estándar Británico Fino (BSF) se introdujo en 1908 porque la rosca Whitworth era demasiado gruesa para algunas aplicaciones. El ángulo de la rosca era de 55°, y la profundidad y el paso variaban con el diámetro de la rosca (es decir, cuanto mayor era el tornillo, más gruesa era la rosca). Las llaves para tornillos Whitworth están marcadas con el tamaño del tornillo, no con la distancia entre las caras planas de la cabeza del tornillo.

Actualmente, el uso más común de la rosca Whitworth se encuentra en todos los andamios del Reino Unido . Además, la rosca estándar para trípodes fotográficos , que para cámaras pequeñas es de 1/4" Whitworth (20 tpi) y para cámaras de formato medio/grande es de 3/8" Whitworth (16 tpi), también se utiliza para soportes de micrófono y sus respectivas pinzas, en ambos tamaños, junto con adaptadores de rosca que permiten acoplar piezas de menor tamaño a elementos que requieren una rosca mayor. Cabe destacar que, si bien los tornillos UNC de 1/4" encajan en los casquillos BSW de 1/4" para trípodes de cámara, la resistencia a la tracción se reduce debido a los diferentes ángulos de rosca de 60° y 55° respectivamente.

Rosca de tornillo de la Asociación Británica

Las roscas de la British Association (BA), que reciben su nombre de la British Association for Advancement of Science, se diseñaron en 1884 y se estandarizaron en 1903. Los tornillos se describían como "2BA", "4BA", etc., y los números impares se usaban raramente, excepto en equipos fabricados antes de la década de 1970 para centrales telefónicas en el Reino Unido. Estos equipos hacían un uso extensivo de tornillos BA con números impares, posiblemente para reducir los robos. Las roscas BA están especificadas en la norma británica BS 93:1951 "Especificación para roscas de la British Association (BA) con tolerancias para tamaños de 0 BA a 16 BA".

Aunque no están relacionados con los tornillos métricos ISO, los tamaños se definieron en términos métricos: una rosca 0BA tiene un  diámetro de 6 mm y  un paso de 1 mm. Otras roscas de la serie BA están relacionadas con la 0BA en una serie geométrica con los factores comunes 0,9 y 1,2. Por ejemplo, una rosca 4BA tiene pasopag=0,94{\displaystyle \scriptstyle p=0.9^{4}} mm (0,65  mm) y diámetro6pag1.2{\displaystyle \scriptstyle 6p^{1.2}} mm (3,62  mm). Aunque 0BA tiene el mismo diámetro y paso que ISO M6, las roscas tienen formas diferentes y no son compatibles.

Las roscas BA siguen siendo comunes en algunas aplicaciones específicas. Ciertos tipos de maquinaria de precisión, como los contadores de bobina móvil y los relojes, suelen tener roscas BA, independientemente de dónde se fabriquen. Las roscas BA también se utilizaron ampliamente en aeronaves, especialmente en las fabricadas en el Reino Unido. El dimensionamiento BA todavía se utiliza en la señalización ferroviaria, principalmente para la terminación de equipos eléctricos y cableado.

Las roscas BA se utilizan ampliamente en la ingeniería de modelos, donde el menor tamaño de la cabeza hexagonal facilita la representación de fijaciones a escala. Por ello, muchos proveedores de ingeniería de modelos del Reino Unido aún mantienen existencias de fijaciones BA, normalmente de hasta 8BA y 10BA. La rosca 5BA también se usa comúnmente, ya que se puede enroscar en varillas de 1/8. [ 56 ]

Estándar de rosca unificada

El estándar de rosca unificada (UTS) se usa con mayor frecuencia en Estados Unidos , pero también se utiliza ampliamente en Canadá y ocasionalmente en otros países. El tamaño de un tornillo UTS se describe utilizando el siguiente formato: XY , donde X es el tamaño nominal (el tamaño del orificio o ranura en la práctica de fabricación estándar a través del cual se puede empujar fácilmente el vástago del tornillo) e Y son las roscas por pulgada (TPI). Para tamaños de 1/4 de pulgada y mayores, el tamaño se da como una fracción; para tamaños menores, se utiliza un número entero , que va de 0 a 16. Los tamaños enteros se pueden convertir al diámetro real utilizando la fórmula 0,060 + (0,013 × número). Por ejemplo, un tornillo n.° 4 tiene un diámetro de 0,060 + (0,013 × 4) = 0,060 + 0,052 = 0,112 pulgadas. También existen tamaños de tornillos menores que "0" (cero). Los tamaños son 00, 000, 0000, que generalmente se denominan dos ceros, tres ceros y cuatro ceros. La mayoría de las gafas tienen las patillas atornilladas a la montura con tornillos de tamaño 00-72 (pronunciado doble cero – setenta y dos). Para calcular el diámetro mayor de los tornillos de tamaño "cero", cuente el número de ceros, multiplique este número por 0,013 y réstelo de 0,060. Por ejemplo, el diámetro mayor de una rosca de tornillo 000-72 es 0,060 – (3 x 0,013) = 0,060 − 0,039 = 0,021 pulgadas. Para la mayoría de los tamaños de tornillos, hay varias roscas por pulgada (TPI) disponibles, siendo las más comunes la rosca gruesa unificada (UNC o UN) y la rosca fina unificada (UNF o UF). Se estima que aproximadamente el 60 % de las roscas de tornillos en uso en los Estados Unidos se basan en pulgadas. [ 21 ] 

Clasificaciones mecánicas

Los números grabados en la cabeza del perno se denominan "grado" del perno, que se utiliza en ciertas aplicaciones considerando su resistencia. Los pernos de acero de alta resistencia suelen tener una cabeza hexagonal con una clasificación de resistencia ISO (denominada clase de propiedad ) grabada en la cabeza. La ausencia de marca/número indica un perno de menor grado con baja resistencia. Las clases de propiedad más utilizadas son 5.8, 8.8 y 10.9. El número anterior al punto decimal es la resistencia a la tracción máxima en MPa dividida por 100. El número posterior al punto decimal es el factor multiplicador entre el límite elástico y la resistencia a la tracción máxima. Por ejemplo, un perno de clase de propiedad 5.8 tiene una resistencia a la tracción máxima nominal (mínima) de 500  MPa y un límite elástico a la tracción de 0.8 veces la resistencia a la tracción máxima, es decir, 0.8 (500) = 400  MPa.

La resistencia a la tracción máxima es la tensión de tracción a la que falla el perno. La resistencia a la fluencia a la tracción es la tensión a la que el perno cederá a tracción en toda su sección y recibirá una deformación permanente (un alargamiento del que no se recuperará al retirar la fuerza) de 0,2 % de deformación de compensación . La resistencia de prueba es la resistencia útil del sujetador. El ensayo de tracción de un perno hasta la carga de prueba no debe causar deformación permanente del perno y debe realizarse en sujetadores reales en lugar de calcularse. [ 57 ] Si un perno se tensa más allá de la carga de prueba, puede comportarse de manera plástica debido a la fluencia en las roscas y la precarga de tensión puede perderse debido a las deformaciones plásticas permanentes. Cuando se alarga un sujetador antes de alcanzar el punto de fluencia, se dice que el sujetador está operando en la región elástica; mientras que el alargamiento más allá del punto de fluencia se denomina operar en la región plástica del material del perno. Si un perno se somete a una tensión que supera su límite elástico, la deformación plástica en la sección de la raíz continuará hasta que toda la sección comience a ceder y haya superado su límite elástico. Si la tensión aumenta, el perno se fracturará al alcanzar su resistencia máxima.

Los pernos de acero dulce tienen una clase de resistencia 4.6, que corresponde a  una resistencia máxima de 400 MPa y  un límite elástico de 0.6*400=240 MPa. Los pernos de acero de alta resistencia tienen una clase de resistencia 8.8, que corresponde a una resistencia máxima de 800  MPa y un límite elástico de 0.8*800=640  MPa o superior.

Un mismo tipo de tornillo o perno puede fabricarse en diferentes grados de material. En aplicaciones críticas que requieren alta resistencia a la tracción, los pernos de baja calidad pueden fallar, provocando daños o lesiones. En los pernos que cumplen con la norma SAE, se imprime un patrón de marcado distintivo en las cabezas para permitir la inspección y la validación de su resistencia. [ 58 ] Sin embargo, se pueden encontrar sujetadores falsificados de bajo costo con una resistencia real muy inferior a la indicada por las marcas. Estos sujetadores de baja calidad representan un peligro para la vida y la propiedad cuando se utilizan en aeronaves, automóviles, camiones pesados ​​y aplicaciones críticas similares. [ 59 ]

Diferenciación entre perno y tornillo

El manual de maquinaria describe laLa distinción entre pernos y tornillos es la siguiente:

Un perno es un elemento de fijación con rosca externa diseñado para insertarse a través de orificios en piezas ensambladas, y normalmente se aprieta o afloja aplicando torsión a una tuerca. Un tornillo es un elemento de fijación con rosca externa que puede insertarse en orificios en piezas ensambladas, acoplarse con una rosca interna preformada o formar su propia rosca, y apretarse o aflojarse aplicando torsión a la cabeza. Un elemento de fijación con rosca externa que no puede girarse durante el montaje y que solo puede apretarse o aflojarse aplicando torsión a una tuerca es un perno. (Ejemplo: pernos de cabeza redonda, pernos de oruga, pernos de arado). Un elemento de fijación con rosca externa cuya forma de rosca impide el montaje con una tuerca de rosca recta de paso múltiple es un tornillo. (Ejemplo: tornillos para madera, tornillos autorroscantes). [ 60 ]

Las antiguas normas USS y SAE definían los tornillos de cabeza hexagonal como elementos de fijación con vástagos roscados hasta la cabeza y los pernos como elementos de fijación con vástagos parcialmente sin rosca. [ 61 ] El gobierno federal de los Estados Unidos se esforzó por formalizar la diferencia entre un perno y un tornillo, debido a que se aplican aranceles diferentes a cada uno. [ 62 ]

Véase también

Referencias

Citas

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  • Manual de diseño de sujetadores NASA-RP-1228
  • Comparación de tamaños de fijación imperiales/métricos
  • "Sujétalo todo" , febrero de 1946, sección de artículos de Popular Science sobre tornillos y tecnología de fijación con tornillos desarrollada durante la Segunda Guerra Mundial.
  • Cómo introducir tornillos y espigas
  • Tabla de tamaños de tornillos estadounidenses – Sujetadores TPOHH