Controlar la tolerancia de un par de apriete
A veces aún surge la pregunta de qué tolerancia debe aplicarse a un valor de par de apriete.
La tolerancia: un punto esencial para cualquier valor físico.
Muchas organizaciones —probablemente la mayoría— especifican un valor único de par de apriete sin indicar una tolerancia. Otras empresas, que disponen de documentación para el control de calidad, sí especifican una tolerancia con fines de verificación. Indicar una tolerancia en el plano implica el riesgo de que el operario ajuste la herramienta de apriete al valor máximo o mínimo. Como consecuencia, el par realmente aplicado podría quedar fuera del intervalo especificado, debido al error adicional relacionado con la precisión de la herramienta. Sin un margen de apriete aceptable o una tolerancia clara, surgen problemas.
Nada en el mundo físico es exacto; todo está sujeto a cierto grado de variación y error de medición. En una producción de bajo volumen, con un fabricante familiarizado con la aplicación, puede que se especifique una dimensión sin tolerancia, y que eso funcione sin inconvenientes. Sin embargo, en una producción de mayor volumen, definir una tolerancia puede prevenir problemas durante el ensamblaje. Lo mismo se aplica a un valor de par de apriete.
Imaginemos que una tolerancia de ±5 % es un valor razonable. Entonces, si el par nominal es de 100 Nm, un intervalo entre 95 y 105 Nm sería, en principio, aceptable. No obstante, la experiencia demuestra que esto subestima la dispersión real que puede producirse bajo condiciones normales de producción.
Tolerancia del par de apriete de una llave dinamométrica
ara la calibración de herramientas de apriete manual, una norma aplicable es la ISO 6789-1:2017, que especifica los requisitos de ensayo de conformidad y de marcado relativos a las herramientas dinamométricas de accionamiento manual utilizadas para el apriete controlado de tornillos y tuercas.
Esta norma también define los requisitos mínimos para la declaración de conformidad de las herramientas dinamométricas de accionamiento manual. Se aplica a las herramientas dinamométricas manuales clasificadas como:
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herramientas dinamométricas de lectura directa (Tipo I)
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herramientas dinamométricas de disparo o salto (Tipo II)
Herramientas de apriete manual
Esta norma define varios tipos de herramientas de par.
Las herramientas indicadoras de par, clasificadas como Tipo 1 en la norma, miden el par mediante una escala mecánica, una esfera o una pantalla electrónica.
Una herramienta de ajuste de par, clasificada como Tipo 2, se preajusta a un valor específico de par, y al alcanzarlo, emite una señal audible, visual u otra.
Una llave dinamométrica de carraca es una herramienta que se utiliza habitualmente en operaciones de ensamblaje.
Factores que aumentan la dispersión del par de apriete
La desviación admisible con respecto al valor nominal depende del tipo específico de herramienta utilizada, y es de ±4 % o ±6 %, según el caso.
Durante los ensayos conforme a la norma, la fuerza debe aplicarse a la herramienta de par dentro de un ángulo de ±10 grados respecto al eje longitudinal de la herramienta. Además, desde el 80 % hasta el valor final del par objetivo, la carga debe aplicarse de forma lenta y uniforme. Sin embargo, esto no siempre se cumple en un entorno de producción.
Del mismo modo, no siempre el operario aplica la fuerza en ángulo recto con respecto al eje de la llave. Estos factores contribuyen a una mayor dispersión del par realmente aplicado.
Ensayo de rendimiento según ISO 5393
Para las herramientas de apriete motorizadas, el ensayo de rendimiento más utilizado es el descrito en la norma ISO 5393.
ISO 5393:2017 especifica un método de ensayo de rendimiento para las máquinas de ensamblaje motorizadas (denominadas «herramientas» en todo el documento) utilizadas para montar elementos de fijación roscados.
Esta norma proporciona un método para medir la repetibilidad del par de apriete (dispersión):
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dentro de un rango de niveles de par especificado en el documento;
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dentro de un rango de ajuste del par definido por el fabricante;
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y en un número de ciclos de funcionamiento definido por el fabricante.
También ofrece un método para evaluar la precisión del sistema de medición de par integrado en las herramientas que disponen de uno. Véase el Anexo E.
ISO 5393:2017 proporciona instrucciones sobre los parámetros del equipo de prueba, los elementos que deben ensayarse, así como la forma de evaluar y presentar los resultados.
La norma se aplica a herramientas:
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independientemente de su fuente de energía (neumática, hidráulica, eléctrica, incluidas herramientas con batería);
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que aplican un par de forma continua en general;
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con un rango de par comprendido entre 0,5 N·m y 2 000 N·m. Para valores fuera de este rango, es posible adaptar el método de ensayo, siempre que la modificación se documente en el informe correspondiente.
La norma no se aplica:
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a herramientas de impacto o de impulso;
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a llaves de carraca o con embrague de carraca;
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ni a otras herramientas que aprietan los elementos de fijación mediante incrementos discontinuos, superando la fricción estática en cada fase.
Influencia de la rigidez del conjunto en el par aplicado
El par entregado por una herramienta eléctrica es sensible a la rigidez del conjunto, que influye en la velocidad de aplicación del par (es decir, la tasa de incremento del par a medida que se aprieta el elemento de fijación).
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Un conjunto blando presenta baja rigidez y baja velocidad de par.
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Un conjunto duro presenta alta rigidez y alta velocidad de par.
Un conjunto blando absorberá más energía de la herramienta en comparación con un conjunto duro, y entregará un valor de par diferente. Esta diferencia se denomina desviación media y constituye un indicador del rendimiento de la herramienta.
La tolerancia abarca la dispersión de la herramienta así como la del operario
El valor de par especificado, por ejemplo 100 Nm, es el valor al que debe ajustarse la herramienta de apriete. Asimismo, si se especifica un rango de par, por ejemplo de 90 Nm a 110 Nm, el valor medio, es decir 100 Nm, debe ser el valor de ajuste de la herramienta.
La tolerancia está principalmente destinada a las auditorías de par tras el ensamblaje. Debe permitir la dispersión probable de la propia herramienta, así como un margen para la persona que la utiliza.
La experiencia de la industria automotriz indica que la mejor tolerancia de par que puede mantenerse en un entorno de producción en serie es aproximadamente ±7 %.
Un punto clave es que la tolerancia no depende únicamente de la desviación admisible definida en la especificación de calibración, sino que también está influenciada por la forma en que el operario aplica el par.
Una tolerancia de par de apriete de ±10 %
En la práctica, se utiliza comúnmente una tolerancia en el valor del par de apriete de ±10 %. Esto permite tener en cuenta la imprecisión de la herramienta de apriete y también un cierto margen para la dispersión intrínseca asociada al operario que realiza el apriete.
Códigos de diseño como el VDI 2230 incorporan un margen del 10 % en sus directrices. Esto se realiza aplicando por defecto una utilización de la tensión del 90 % respecto al mínimo del límite elástico del tornillo, de modo que en condiciones extremas, el tornillo no debería alcanzar su límite elástico.
Algunas empresas automotrices usan una tolerancia de ±15 % sobre el valor del par, lo que les permite potencialmente utilizar herramientas menos costosas.
Una consecuencia de una dispersión tan elevada es que debe considerarse en el diseño aumentando los márgenes de seguridad al diseñar los conjuntos.
La relajación representa entre un 5 % y un 10 % de pérdida
Entre el momento del ensamblaje y la realización de una auditoría del par, puede ocurrir una pérdida de par debido a un proceso llamado relajación.
El tipo de relajación en conjuntos metal sobre metal es el embutido. Esto ocurre cuando las asperezas superficiales colapsan parcialmente después del ensamblaje, lo que provoca una pérdida de carga en el tornillo y, por consiguiente, una reducción del valor del par residual.
La cantidad de relajación depende del conjunto, del tamaño del tornillo, del espesor comprimido, del número de superficies del conjunto, de la rugosidad superficial, etc. Generalmente, esta pérdida se sitúa entre un 5 % y un 10 %, pero en algunas uniones puede ser mayor.
Estas pérdidas se tienen en cuenta en el diseño moderno de uniones, como las basadas en la norma VDI 2230.
Por regla general, se considera que existe un problema de apriete a partir de una pérdida del 10 %.
Auditoría del par de apriete
La auditoría del par consiste en verificar el par residual de una fijación después de su instalación.
El término par residual se utiliza para describir el par necesario para girar una fijación previamente instalada y apretada, en sentido de apriete.
Así, una auditoría de control del par implica comparar el par residual medido con el par especificado. Por ejemplo, si la especificación de par es de 100 Nm ± 10 %, el par mínimo sería 90 Nm.
Esta verificación no permite ninguna tolerancia para la pérdida por embutido. Por lo tanto, un tornillo podría haberse apretado conforme a las especificaciones, pero el valor del par residual podría caer por debajo del valor mínimo debido a la pérdida por embutido.
Como consecuencia, el valor mínimo aceptable para la auditoría del par se toma como el valor mínimo especificado menos un margen para el embutido. Un margen típico para el embutido es del 10 %, de modo que:
Valor mínimo aceptable para auditoría = 0,9 × Valor mínimo especificado
Así, en el caso del ejemplo de 100 Nm, el valor mínimo aceptable para la auditoría del par sería: 0,9×(100−10)=81Nm
Si el valor del par residual medido es inferior al par requerido, se debería realizar una investigación para determinar la causa.
La experiencia muestra que la dispersión del par es mucho mayor en la realidad
El apriete por par es un método impreciso y obsoleto. Cuando se utiliza una llave dinamométrica, solo una pequeña fracción del par aplicado se traduce efectivamente en la precarga o fuerza de apriete.
Hasta un 50 % del par de apriete puede perderse debido a la fricción en las roscas y bajo la cabeza del tornillo, lo que hace que el apriete por par sea notoriamente impreciso. Para un control riguroso del apriete, es necesario explorar otros métodos de fijación.
El apriete por par presenta limitaciones y desventajas que pueden hacer que otros métodos de apriete sean más adecuados según la situación. A continuación, algunas razones por las que el apriete por par puede considerarse menos avanzado que el apriete por tensión:
Sensibilidad a las variaciones de fricción: Los niveles de fricción entre las superficies en contacto pueden variar según diversos factores, como la limpieza de las roscas y la lubricación, lo que dificulta predecir con precisión el apriete final.
Dificultad para alcanzar tolerancias muy estrictas: Para aplicaciones que requieren extrema precisión, otros métodos como el apriete hidráulico o la medición de tensión por ultrasonidos ofrecen una mayor precisión.
Influencia de la lubricación: La aplicación de lubricantes en las roscas puede alterar los niveles de fricción, afectando así la precisión del apriete. Variaciones en la aplicación del lubricante pueden comprometer la constancia del apriete.
Detección limitada de sobreapriete: El apriete por par es menos eficaz para detectar sobreaprietes, lo que puede dificultar determinar si un tornillo está demasiado apretado en ciertas situaciones.
Dependencia de las especificaciones del fabricante: El apriete por par requiere especificaciones de apriete proporcionadas por el fabricante, las cuales pueden variar de un fabricante a otro, generando resultados variables según las especificaciones utilizadas.
Aunque es un método ampliamente utilizado, es fundamental reconocer las limitaciones del apriete por par y elegir el método de apriete más adecuado según los requerimientos específicos de la aplicación.
Alternativas como el apriete por extensión hidráulica combinado con la medición de la tensión en pernos pueden ser preferibles en situaciones donde la precisión y la fiabilidad extremas son cruciales.
