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• Osvaldo Salinas

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CONTENIDO DEL CAPÍTULO 33.1 Sujetadores roscados 33.1.1 Tornillos, pernos y tuercas 33.1.2 Otros sujetadores roscados y equipo relacionado 33.1.3 Esfuerzos y resistencias en las uniones con pernos 33.1.4 Herramientas y métodos para ensamblar sujetadores roscados 33.2 Remaches y ojillos 33.3 Métodos de ensamble basados en ajustes por interferencia 33.4 Otros métodos de sujeción mecánica 33.5 Insertos en moldeado y sujetadores integrales 33.6 Diseño para ensambles 33.6.1 Principios generales del DFA 33.6.2 Diseño para ensamble automatizado En el ensamble mecánico se usan diferentes métodos de sujeción para sostener juntas en forma mecánica dos (o más) piezas. En la mayoría de los casos, los métodos de sujeción implican el uso de componentes de hardware separados, llamados sujetadores, que se agregan a las piezas durante la operación de ensamblado. En otros casos, el mecanismo de sujeción implica el formado o reformado de uno de los componentes que se van a ensamblar y no se requieren sujetadores separados. Muchos productos para el consumidor se ensamblan principalmente mediante métodos de sujeción mecánica: automóviles, aparatos eléctricos grandes y pequeños, teléfonos, muebles, utensilios, incluso vestidos se “ensamblan” por medios mecánicos. Además, productos industriales como aviones, herramientas de máquina y equipo de construcción casi siempre implican ensamble mecánico. Los métodos de sujeción mecánica pueden dividirse en dos clases principales: 1) los que permiten el desensamble y 2) los que crean una unión permanente. Los sujetadores roscados (por ejemplo, tornillos, pernos y tuercas) son ejemplos de la primera clase y los remaches ilustran la segunda. Existen buenas razones por las que con frecuencia se prefiere el ensamble mecánico sobre otros procesos de unión analizados en capítulos anteriores. Las razones principales son 1) la facilidad de ensamble y 2) la facilidad de desensamble (para los métodos de sujeción que lo permiten). Por lo general, el ensamble mecánico lo realizan con relativa facilidad trabajadores no calificados, con un mínimo de herramientas especiales y en un tiempo relativamente corto. La tecnología es simple y los resultados se inspeccionan con facilidad. Estos factores representan ventajas no sólo en la fábrica, sino también durante la instalación en campo. Los productos que son demasiado grandes y pesados para transportarse ensamblados por completo pueden enviarse en subensambles más pequeños y después armarse en las instalaciones de los clientes. Por supuesto, la facilidad de desensamble sólo se aplica a los métodos de sujeción mecánica que lo permiten. Se requiere un desensamble periódico para la mayoría de los productos en los que debe realizarse mantenimiento y reparaciones; por ejemplo, para sustituir componentes gastados, para hacer ajustes, etcétera. Las técnicas de unión permanente, como la soldadura, no permiten el desensamble. Con propósitos de organización, los métodos de ensamble mecánico se han clasificado en las siguientes categorías: 1) sujetadores roscados, 2) remaches, 3) ajustes de interferencia, 4) otros métodos de sujeción mecánica y 5) insertos en moldeado y sujetadores integrales. Estas categorías se describirán en las secciones de la 33.1 a la 33.5. En la sección 33.6, se analizará un tema importante: el diseño para ensamble. El ensamble de productos electrónicos incluye técnicas mecánicas. Sin embargo, el ensamble de productos electrónicos representa un campo único y especializado, que se cubre en el capítulo 36.

33.1 SUJETADORES ROSCADOS Los sujetadores roscados son componentes separados de hardware que tienen roscas externas o internas para el ensamble de piezas. En casi todos los casos permiten el desensamble.

Los sujetadores roscados son la categoría más importante del ensamble mecánico; los tipos más comunes de sujetadores roscados son los tornillos, los pernos y las tuercas.

33.1.1 Tornillos, pernos y tuercas Los tornillos y los pernos son sujetadores con roscas externas. Existe una diferencia técnica entre un tornillo y un perno, que con frecuencia se confunde en el uso popular. Un tornillo es un sujetador con rosca externa que, por lo general, se ensambla en un orificio roscado ciego. Algunos tipos llamados tornillos autorroscantes poseen formas que les permiten formar o cortar las roscas correspondientes en el orificio. Un perno es un sujetador con rosca externa que se inserta a través de orificios en las piezas y se “atornilla” con una tuerca en el lado opuesto. Una tuerca es un sujetador de rosca interna que coincide con la del perno del mismo diámetro, paso y forma de rosca. Los ensambles típicos que se producen con el uso de tornillos y pernos se ilustran en la figura 33.1. Los tornillos y los pernos vienen en diversos tamaños, roscas y formas, todas ellas estandarizadas. En la tabla 33.1 se proporciona una selección de los tamaños de sujetadores roscados comunes en unidades métricas (norma ISO) y unidades de uso común en Estados Unidos (norma ANSI).1 La especificación métrica consta del diámetro mayor nominal, mm, seguido del paso, mm. Por ejemplo, una especificación 4-0.7 implica un diámetro principal de 4.0 mm y un paso de 0.7 mm. La norma de Estados Unidos especifica ya sea un número que designa el diámetro principal (hasta 0.2160 in) o el diámetro mayor nominal, in, seguido por el número de roscas por pulgada. Por ejemplo, la especificación 1/4-20 indica un diámetro principal de 0.25 in y 20 roscas por pulgada. En la tabla se proporcionan tanto pasos gruesos como finos. En textos de diseño y manuales comunes, puede encontrarse datos técnicos adicionales y otros tamaños de sujetadores roscados estándares. Estados Unidos ha estado convirtiendo gradualmente sus tamaños de sujetadores a unidades métricas, lo cual redu cirá la proliferación de especificaciones. Debe observarse que las diferencias entre los sujetadores roscados tienen implicaciones en la manufactura de herramientas. Para usar un tipo particular de tornillo o perno, el trabajador que realiza el ensamble debe tener las herramientas diseñadas para tal tipo de sujetador. Por ejemplo, hay disponibles numerosos estilos de cabezas en pernos y tornillos; los más comunes se muestran en la figura 33.2. Las formas de estas cabezas, al igual que los diversos tamaños disponibles, requieren herramientas manuales distintas (por ejemplo, desarmadores) para el operador. No es posible hacer girar un perno con cabeza hexagonal mediante un desarmador (destornillador) convencional de punta plana. Los tornillos se fabrican en una mayor variedad y configuraciones que los pernos, puesto que sus funciones son más variadas. Los tipos incluyen tornillos para máquina, tornillos de cabeza cuadrada, tornillos prisioneros y tornillos autorroscantes. Los tornillos para máquina son del tipo general, diseñados para ensamble en huecos roscados. En ocasiones se ensamblan a tuercas, y en este uso coinciden con los pernos. Los tornillos de cabeza cuadrada tienen la misma forma que los tornillos para máquina, pero están hechos de metales con mayor resistencia y tolerancias más estrechas. Los tornillos prisioneros se endurecen y diseñan para funciones de ensamble como collarines de sujeción, engranes y poleas para flechas, como se muestra en la figura 33.3 a). Se fabrican en diversas formas, algunas de las cuales se ilustran en la figura 33.3 b). Un tornillo autorroscante (también llamado tornillo roscante) está diseñado para formar o cortar las roscas en un orificio que ya existe, dentro del cual se hace girar. En la figura 33.4 se muestran dos de las formas de rosca comunes para los tornillos autorroscantes. La mayoría de los sujetadores roscados se produce mediante formado en frío (sección 19.2). Algunos son maquinados (sección 22.1.1), pero generalmente es un proceso más costoso por la elaboración de roscas. Se usa una variedad de materiales para hacer sujetadores roscados, y los aceros están entre los más comunes debido a su buena resistencia y bajo costo. Éstos incluyen acero al bajo y medio carbono, así como aleaciones de acero. Por lo general los sujetadores hechos de acero se chapean o recubren para que su superficie resista la corrosión. Con este propósito se usan recubrimientos de níquel, cromo, zinc, óxido

negro y similares. Cuando la corrosión u otros factores impiden el uso de sujetadores de acero, se deben usar otros materiales que incluyen aceros inoxidables, aleaciones de aluminio, aleaciones de níquel y plásticos (sin embargo, los plásticos sólo son convenientes para aplicaciones de bajo esfuerzo).

33.1.2 Otros sujetadores roscados y equipo relacionado Entre los tipos de sujetadores roscados y equipo relacionado adicionales se incluyen los pernos sin cabeza, los insertos con rosca de tornillo, los sujetadores roscados prisioneros y las arandelas. Un perno sin cabeza (en el contexto de los sujetadores) es un sujetador con rosca externa, pero sin la cabeza normal que posee un perno. Los pernos sin cabeza se usan para ensamblar dos piezas mediante dos tuercas, como se muestra en la figura 33.5 a). Están disponibles con roscas en un extremo o en ambos, como en la figura 33.5 b) y c). Los insertos con rosca de tornillo son machos con rosca interna o rollos de alambre hechos para insertarse en un orificio sin rosca y para aceptar un sujetador con rosca externa. Se ensamblan en materiales más débiles (por ejemplo, plástico, madera y metales ligeros tales como el magnesio) para proporcionar roscas fuertes. Hay muchos diseños de insertos con tornillo de rosca; en la figura 33.6 se ilustra un ejemplo. Después del subsecuente ensamble del tornillo dentro del inserto, el cañón del inserto se expande hacia los lados del orificio, asegurando el ensamble. Los sujetadores roscados prisioneros son sujetadores con rosca que se han preensamblado de manera permanente a una de las piezas que se van a unir. Los procesos de ensamblado posibles incluyen la soldadura por fusión, la soldadura dura, el ajuste en prensa o el formado en frío. En la figura 33.7 se ilustran dos tipos de sujetadores roscados prisioneros. Una arandela es un componente de equipo que se usa con frecuencia en los sujetadores roscados para asegurar la firmeza de la unión mecánica; en su forma más simple, es un anillo delgado plano de lámina metálica. Las arandelas tienen varias funciones: 1) distribuir los esfuerzos que de otra forma se concentrarían en la cabeza del perno o tornillo y en la tuerca, 2) dar apoyo para orificios con separaciones grandes en las piezas ensambladas, 3) aumentar la tensión del resorte, 4) proteger las superficies de las piezas, 5) sellar la unión y 6) resistir el aflojamiento inadvertido [14]. En la figura 33.8 se ilustran varios tipos de arandelas.