Elementos de sujeción
Los elementos de sujeción son utilizados en cualquier parte o estructura ya que permiten unir dos o más piezas, ya sea permanentemente o desmontable. Entre los elementos desmontables se encuentran los tornillos, pernos, espárragos, pasadores y tuercas. El objetivo de este documento es brindar información básica sobre los tornillos, desde el material que se utiliza hasta el tipo de rosca.
Acero
En la ingeniería metalúrgica se denomina acero a la mezcla de hierro con un porcentaje de carbono el cual le da una mayor dureza, dependiendo del porcentaje el cual va desde un 0.03% a un 1.075%, un porcentaje mayor al 2.14 de carbono hacen que el material sea más frágil y difícil de forjar y solo se puede moldear.
Los registros de los primeros utensilios de hierro comienzan aproximadamente en el año 3000 antes de Cristo y se descubrieron en Egipto, pero los primeros rastros de acero se encontraron en el este de África cerca del año 1400 antes de Cristo. En el primer siglo antes de Cristo, en China, durante la dinastía Han se fabricó acero al fundir hierro forjado con hierro fundido.
Dureza
La aleación de diversos materiales ferrosos y no ferrosos buscan obtener una resistencia a la penetración, abrasión, rayado, cortado y deformación permanente del acero, y esto se denomina dureza. La dureza del acero se mide en
BH (Brinell Hardness)
KH (Knoop Hardness)
RH (Rockwell Hardness)
Dureza Rosiwal
Dureza Shore
VH (Vickers Hardness)
Dureza Brindell (BH)
La Dureza Brindell se mide moviendo una esfera de acero templado o carburo de tungsteno, con diámetros entre 10 y 12 milímetros, presionada sobre el material a medir, la presión que se ejerce es de 3000 kilopondios, kilogramos fuerza, y la medición es el diámetro de la perforación realizada por la esfera. Esta prueba se utiliza para materiales blandos y muestras delgadas ya que al sobrepasar los 600BH, las esferas se deforman invalidando la prueba.
Para determinar la dureza Brindell se debe realizar el siguiente cálculo:
Donde 
es la carga a utilizar y se calcula de la siguiente forma 
es el diámetro de la esfera, 
es el diámetro de la huella y 
es una constante asignada a un material, para el acero tiene un valor de 30. Para el acero blando la dureza es de 125BH
Dureza de Knoop (KH)
Permite determinar la dureza mecánica de materiales donde solamente se pueden hacer ranuras pequeñas, también materiales muy frágiles y láminas delgadas.
Dureza Rockwell (RH)
Permite determinar la resistencia a la penetración de un material, es el más utilizado por lo fácil de realizar, se puede obtener utilizando dos penetradores, bolas esféricas de acero templado con diámetros de 1/16 has ½ pulgada o un cono de diamante con un ángulo de 120 grados y vértice redondeado, esta última es la que se utiliza para los materiales más duros.
La dureza de obtiene realizando el siguiente procedimiento:
Se aplica una precarga de 10Kg para eliminar deformaciones plásticas Se aplica durante aproximadamente 15 segundos una fuerza de compresión que varía de los 60 a los 150 Kilopondios.
La probeta o el material de muestra deben tener por lo menos 10 veces la profundidad de la huella o marca. Los valores por debajo de 20 y por encima de 100 son pocos confiables por lo que se debe repetir la medición o cambiar la escala. El cambio de escala se debe al tipo de material que se está midiendo y al penetrador que se utiliza.
Las escalas representativas de esta dureza se expresan con letras de la A a la G de la siguiente manera:
En la actualidad las esferas de acero son reemplazadas por esferas de tungsteno y carburo, cuando se utilizan estas esferas se le agrega la letra "W" si se usa tungsteno y "S" si se usan de acero.
La Escala C es la más utilizada para la medición de la dureza de los aceros.
Dureza Rosiwal
Determina la dureza de los minerales como yeso, cuarzo, diamante, corindón tomando a este como referencia y asignándole un valor de 1000. El corindón es un mineral común en la naturaleza, se encuentra en forma de cristales y por esta razón se utiliza en joyería.
Dureza Shore
Permite determinar la dureza del material utilizando un escleroscopio, el cual es un tubo de cristal de 300mm de altura donde se deja caer un martillo con punta de diamante de 2.36g. La escala consta de 140 divisiones con una altura total de 254mm. La dureza es medida por la distancia del rebote del martillo. Esta medición permite obtener resultados de la superficie de un mismo material sin dejar huella o marca alguna.
Dureza Vickers (VH)
Se denomina la prueba de dureza universal por ser una mejora de la prueba de la dureza Brinell, se realiza utilizando una pirámide de diamante con un ángulo base de 136 grados, se presiona la pirámide contra el material utilizando fuerzas de 5 en 5 hasta llegar a los 125 kilopondios y luego se miden las diagonales de la marca y obtener el promedio de las distancias, el cálculo para obtener la dureza es el siguiente:
Donde 
es la fuerza de presión y es el promedio de las diagonales, el rango de Dureza Vickers para aceros al carbono esta entre 55-120VH5 utilizando una fuerza de 5 kilopondios.
Clasificación del acero
Ya que el acero es la mezcla o aleación de hierro, carbono y otros materiales no ferrosos que aportan dureza y elasticidad, se puede clasificar de la siguiente forma
Aceros al Carbono
Aceros Aleados
Aceros Inoxidables
Aceros al Carbono
Son los utilizados para la construcción tanto civil como mecánica, dependiendo de la composición química que los conforma, así será su aplicación y su clasificación. Este tipo de aceros se clasifican en:
Acero Dulce
Acero Semidulce
Acero Semiduro
Acero Duro
Acero Dulce
Este acero contiene un porcentaje del 0.15 al 0.25 de carbono por lo que se convierte en un material dúctil y resistente a la corrosión. Entre estos aceros se encuentra el denominado acero Cold Roll o 1018, donde el 18 indica el porcentaje de carbono que está contenido en el material.
Acero Semidulce
Este acero contiene un porcentaje de 0.25 al 0.4 de carbono por lo que tiene una tenacidad, capacidad para deformarse antes de romperse, que permite ser utilizado para la fabricación de tornillos y herrajes.
Acero Semiduro
Tienen un porcentaje del 0.4 al 0.55 de carbono, lo que le aporta una dureza mayor a la de lo semidulces pero menor maleabilidad. En esta categoría se encuentra el acero 1045, donde el 45 indica que el acero tiene el 0.45% de carbono.
Acero Duro
El porcentaje de carbono es mayor a 0.55, es utilizada para la fabricación de piezas donde se aplica una tensión de estiramiento o de carga.
Aceros Aleados
Se le denomina aceros aleados a los que contienen un porcentaje de peso del 1 al 50% de carbono y otros materiales como manganeso (Mn), níquel (Ni), cromo (Cr), molibdeno (Mo), vanadio (V), silicio (Si), boro (B), cobalto (Co), tungsteno (W), estaño (Sn), zinc (Zn), plomo (Pb), titanio (Ti), niobio (Nb), cerio (Ce), cobre (Cu), aluminio (Al), azufre (S) y zirconio (Zr).
Los aceros aleados presentan una mayor resistencia, dureza, tenacidad, resistencia al desgaste, templabilidad y resistencia en caliente. Estas características hacen que este tipo de aceros se clasifiquen en dos grupos:
Aceros de Baja Aleación
Aceros de Alta Aleación
Aceros de Baja Aleación
Los aceros de baja aleación presentan una mayor resistencia a la corrosión, una templabilidad mayor, son difíciles de soldar. También permiten la fabricación de piezas de gran espesor manteniendo la dureza superficial brindando una mayor tenacidad y es por eso que se utilizan para herramientas de máquinas, turbinas, válvulas, rieles, excavadoras y equipos marinos. La tendencia a utilizar estos aceros se debe a que son livianos, tener valores de fluencia, deformación por estiramiento en lugar de rotura, del 50% mayor a los aceros al carbono y UTS (Ultimate Tensil Strength), Tensión de Rotura de un 40% más que los aceros al carbono, por lo que también se les pueden llamar Aceros de Baja Aleación y de Alta Resistencia.
Aceros de Alta Aleación
Los aceros de Alta Aleación tienen un porcentaje mayor al 5% del peso de la aleación del hierro con los otros elementos y según esa cantidad de elementos adicionales se producen aceros como los aceros inoxidables, aceros para herramientas y súper aleaciones. Este tipo de material es utilizado para la fabricación de piezas para maquinaria.
Aceros Inoxidables
Es una aleación de acero con un porcentaje mínimo del 12% de cromo (Cr), níquel (Ni), manganeso (Mn) y molibdeno (Mo), fue descubierto a principios del siglo XX, las características principales de este acero es que tiene un aspecto brillante y es altamente resistente a la suciedad y el óxido.
Según su estructura metalográfica, característica micro estructural y constitución de la aleación, el acero inoxidable se clasifica en:
Austenitico
Martensitico
Acero Inoxidable Austenitico
La austenita es la forma estable del hierro a altas temperaturas, entre los 900 y 1400 grados Celsius, posee una estructura cristalina en forma cubica, donde la transformación del hierro y del carbono a liquido permite que se genere una aleación con un diagrama Fe-Fe3C, como se aprecia en la Figura 1 y esto se denomina acero gamma.
Figura 1 La austenita no es estable a tempetura ambiente, pero con el porcentaje correcto de manganeso y de niquel se mantiene estable y proporciona elasticidad y conductividad al acero inoxidable
Acero Inoxidable Matensitico
Los aceros con esta estructura son más duros y mecánicamente resistentes, pero a su vez son más frágiles y menos conductores de la electricidad. La Martensita es una solución solida sobresaturada de carbono y austenita.
Estos aceros se forman incorporando materiales metálicos sin usar la difusión, sin introducir materiales ausentes, sino que se mueven los materiales a la velocidad del sonido para que se produzca la aleación deseada.
Tornillos
Se denomina tornillo a un elemento mecánico de forma cilíndrica que es utilizado para sujetar y fijar uniones de elementos desmontables.
El griego Arquitas de Tarento, que vivió de los años 430 al 360 antes de Cristo, inventó el tornillo y la polea.
Arquímedes, que vivió de los años 287 al 212 antes de Cristo, perfeccionó el tornillo y lo llego a utilizar para elevar agua. También fue Arquímedes quien invento el tornillo sin fin.
El material con el que se fabrican permite tener una mayor resistencia mecánica, según el material que se utilice.
Partes de un Tornillo
Un tronillo se compone de tres partes, como se observa en la Figura 2
1. Cabeza
2. Cuerpo
3. Rosca
Figura 2
Cabeza
La cabeza del tornillo es la parte más ancha y esto permite sujetar o girar un tornillo con la ayuda de las herramientas adecuadas. El diseño de las cabezas de los tornillos se basa en dos necesidades que son, obtener la superficie de apoyo adecuada para la herramienta de apriete y no se rompa o deforme la misma y la necesidad de seguridad par que ciertos dispositivos requieran herramientas especiales para la apertura con un destornillador convencional (por ejemplo Phillips), dificultando así que el personal no autorizado acceda al interior, por lo que existen distintas formas de cabeza, como se aprecia en la Figura 3.
Figura 3 Así, se tienen cabezas de distintas formas como hexagonales, redondas, cilíndricas, avellanadas. También la forma de apretarlas es distinta o combinadas con distintos sistemas de apriete como la llave inglesa, ranura, Phillips para destornillador, agujero hexagonal para llave Allen, moleteado para apriete manual, etc.
Las herramientas eléctricas como destornilladores y herramientas neumáticos permiten el uso de tornillos auto roscado. Los tornillos utilizados en diversos tipos de carpintería tanto de madera como metálica ya que es un sistema rápido de atornillado. En el atornillado de piezas metálicas se utiliza menos porque el par de apriete que se ejerce es bajo y está expuesto a que se afloje durante el funcionamiento de la máquina.
Tipos de cabezas de los tornillos
Los tipos de cabezas responden a las necesidades de sujeción de las piezas en los diversos materiales:
Cabeza Plana
Cabeza Oval
Cabeza Redondeada
Cabeza Cuadrada
Cabeza Hexagonal
Cabeza Cilíndrica
Cabeza Plana
Se utiliza fundamentalmente cuando es necesario dejar la cabeza al ras de la superficie donde será utilizado, como por ejemplo en la carpintería. En la Figura 4 se aprecia un tornillo cabeza plana.
Figura 4
Cabeza Oval
La forma de la cabeza le permite hundirse en la superficie y dejar sobresalido sólo la parte superior redondeada, permitiendo que el poder sacarlos sea más fácil. Se utiliza para fijar elementos metálicos como herramientas o chapas para puertas. En la Figura 5 se aprecia un cornillo cabeza oval.
Figura 5
Cabeza Redondeada
Se utiliza para unir piezas delgadas y donde hay vibración ya que se deben colocar arandelas o roldanas para mejor sujeción. En la Figura 6 se aprecia un tornillo cabeza redondeada.
Figura 6
Cabeza Cuadrada
Se utiliza para la sujeción de las herramientas ya que son especiales para soportar una tensión de ajuste muy fuerte, en la Figura 7 se aprecia un tornillo cabeza cuadrada.
Figura 7
Cabeza Hexagonal
Son los más comunes y son los que se utilizan en la mayoría de las uniones metálicas por sus 6 lados, permitiendo una mayor sujeción al momento de realizar el ajuste deseado, en la Figura 8 se observa un tornillo cabeza hexagonal.
Figura 8
Cabeza Cilíndrica
Este tipo de cabeza se utiliza para sujetar piezas donde no se necesita mucha fuerza de ajuste, existen dos tipos, los que tienen ranuras, se observa en la Figura 9 y los denominados Allen que se observan en la Figura 10.
Figura 9
Figura 10
Tipos de ranuras de cabeza de tornillos
La ranura es un espacio en el cual se acopla un destornillador, es posible que un tornillo no tenga ranura como en el caso de los tornillos de copa o llave inglesa. Las ranuras cubren la necesidad seguridad, ya que según las ranuras serán más fácil o difícil de destornillar:
Plana Trapezoidal
Phillips
Pozidriv
Allen
Cuadrada
Torx
Es de suma importancia no dañar la ranura por lo que la manipulación debe ser cuidadosa y con la herramienta adecuada, por ejemplo la paleta del destornillador no debe ser demasiado grande o demasiado pequeña, porque si la paleta es demasiado grande podemos fracturar la cabeza del tornillo por el lado de las paredes de la profundidad de la ranura, por el contrario, si la paleta del destornillador es demasiado pequeña podemos deformar la ranura del tornillo. Los diferentes tipos de ranuras más comunes se observan en la Figura 11.
Figura 11 En la Figura 12 se aprecian tipos de ranuras más especializadas y de mayor dificultad para desatornillar.
Figura 12 Cuerpo Es la parte del tornillo de forma cilíndrica que tiene el diámetro donde se marcan las hélices o rosca y a la parte que se encuentra sin roscar entre la cabeza y la rosca se le denomina cuello. El diámetro exterior del cuerpo se expresa de dos formas, en el sistema métrico como milímetros (mm) y en el sistema inglés (Whitworth) en fracciones de pulgada.
Rosca
Es la parte del cilindro que tiene marcadas las ranuras en forma hélices y se puede clasificar de la siguiente manera
Tipo de Rosca
Sentido de Rosca
Paso de Rosca
Si la hélice de la rosca es exterior, es un tornillo y si es interior, es una tuerca.
La parte más importante de los tornillos y tuercas es la rosca.
Tipo o perfil de rosca
El tipo de rosca depende de la aplicación o sujeción que proporcionara el tornillo ya que se pueden usar en diversos materiales como madera, madera dura, chapas metálicas o uniones metálicas
Rosca Métrica
Rosca Withworth
Rosca Estándar Estadounidense
Rosca NPT
Rosca ACME
En la Figura 13 se aprecian los diferentes tipos de roscas existentes.
Figura 13
Rosca Métrica
La rosca métrica está basada en el Sistema Internacional, SI, y es una de las roscas más utilizadas en el ensamblaje de piezas mecánicas donde se necesita engrase.
Características de este tipo de rosca
La sección del filete es un triángulo equilátero cuyo ángulo vale 60º
El fondo de la rosca es redondeado y la cresta de la rosca levemente cortada
El lado del triángulo es igual al paso
Su diámetro exterior y el avance se miden en milímetros, siendo el avance en dirección del eje del tornillo en una vuelta completa.
Designación: M24 x 2. La M significa rosca métrica, 24 significa el valor del diámetro exterior en mm y 2 significa el paso en milímetros.
Rosca Whitworth
La primera persona que creó un tipo de rosca normalizada, aproximadamente en el año 1841 fue el ingeniero mecánico inglés Joseph Whitworth.
El sistema de roscas Whitworth todavía se utiliza, para reparar la maquinaria antigua y tiene un filete de rosca más grueso que el filete de rosca métrico ya que el ángulo es de 55° y variaba con el diámetro del tornillo, mientras más grueso el cuerpo más grueso el filete.
El sistema Whitworth fue un estándar británico, abreviado a BSW (BS 84:1956) y el filete de rosca fino estándar británico (BSF) fue introducido en 1908 porque el hilo de rosca de Whitworth resultaba grueso para algunos usos.
Rosca Estándar Estadounidense o Rosca Unificada
Los Estados Unidos tienen su propio sistema de roscas, generalmente llamado el estándar unificado del hilo de rosca que se utiliza en la mayoría de los otros países alrededor del mundo. En este estándar se consideran los hilos de rosca por pulgada y existen tres clasificaciones Hilo de rosca gruesa (UNC) Hilo de rosca fina (UNF) Hilo de rosca extra fina (UNEF)
NPT (National Pipe Thread)
(Rosca Americana Cónica para Tubos) La conexión más conocida y más utilizada en tubería por proveer unión mecánica y sello hidráulico.
Rosca ACME
Este tipo de rosca se utiliza para tornillos sin fin y en donde es necesario aplicar fuerza, tales como las prensas
Sentido de la rosca
Según la aplicación del tornillo se utiliza un sentido de rosca derecha o izquierda la tornillería comercial es basicamente derechas o sentido horario, pero algunos ejes de máquinas tienen rosca a izquierda o sentido anti horario. En la Figura 14 se aprecia la representación del sentido o avance de la rosca.
Figura 14 La rosca izquierda es utilizada para proporcionar seguridad.
Paso de rosca
El paso en el sistema métrico es la distancia entre dos puntos homólogos, como entre las crestas contiguas y se expresa en milímetros. En el sistema de roscas Whitworth y en el Estándar Estadounidense el paso se considera como el número de filetes que hay por pulgada.
Tipos de tornillos
Según la aplicación y el material donde se realizaran uniones mecánicas se utilizan diversos tipos tornillos, con diferentes roscas.
Tornillo Autorroscante
Este tipo de tornillos se debe fabricar bajo Norma DIN-97. Debido a que los hilos de la rosca se encuentran más separados y a que tienen la punta estrecha es capaz de ir abriendo camino a medida que se atornilla y no es necesario hacer un agujero previo.
Tienen una rosca ¾ de la longitud de la espiga y pueden ser de acero dulce, inoxidable, latón, cobre, bronce, aluminio y pueden estar galvanizados, niquelados, etc.
Tornillo Auto perforante
Tienen como punta una broca permitiendo una instalación sin necesidad de más herramientas que el destornillador o la llave.
Tornillos Para Uniones Metálicas
Para la unión de piezas metálicas se utilizan tornillos con rosca triangular que pueden ir atornillados en un agujero ciego o en una tuerca con arandela en un agujero pasante.
Grado de los Tornillos
En la cabeza de los tornillos también se especifica la dureza o el grado del tornillo, dependiendo del material utilizado y la aplicación que se le dará al tornillo, según las unidades métricas que se estén utilizando y la aplicación del tornillo así será su grado, en la Figura 14 se observa la equivalencia del grado en el sistema inglés, el sistema métrico y para los tornillos estructurales. También existe el grado 12, sistema inglés y 12.9 sistema métrico, para la fabricación de estos tornillos se utilizan aceros súper aleados y se identifican con ocho líneas marcadas en la cabeza del tornillo, sistema inglés y con el número 12.9 en el sistema métrico.
Existen otros tipos de grados como lo son B7, B7M, B8, B8M y B16, los cuales son utilizados en aplicaciones donde se utiliza alta presión y alta temperatura.
En la Figura 15 se observan los grados de los tornillos según la Sociedad de Ingenieros Automotrices.
Figura 14
Figura 15
Elementos de Sujeción
Tornillos.
Autor:
Gabriel Callejas.