En el mundo del ensamble, los sujetadores roscados son componentes esenciales que mantienen unidas estructuras y máquinas. Sin embargo, la simple instalación de un sujetador no es suficiente para garantizar la integridad y seguridad del producto final. Como hemos visto en nuestro artículo, la fuerza de sujeción que se genera en el sujetador cuando se aprieta se conoce como pretensado o precarga y es la fuerza que mantiene unidas las piezas. El sujetador debe apretarse a un nivel específico de fuerza de sujeción, según la aplicación y las recomendaciones del fabricante.
Desafortunadamente, medir la fuerza de sujeción directamente puede ser difícil y lento, y requiere instrumentación avanzada que no es práctica para su uso en líneas de montaje de gran volumen.
Debido a que existe una relación directa entre la cantidad de torque aplicada a un sujetador y la fuerza de sujeción resultante, generalmente es posible lograr un nivel específico de fuerza de sujeción midiendo el torque aplicado al sujetador y siguiendo las especificaciones del fabricante. En realidad, la fricción y otros factores ambientales hacen que sea imposible garantizar que el mismo torque produzca el mismo nivel exacto de torque de sujeción en diferentes juntas, por lo que se utilizan diferentes métodos de apriete según los requisitos de la aplicación.
Apriete con control de torque
El método de apriete más común es el apriete controlado por torque. Este método es fácil de implementar, rentable y fácil de capacitar. Las especificaciones de torque de instalación están ampliamente disponibles, lo que lo convierte en un método reconocido y estandarizado para lograr el nivel deseado de apriete. En términos generales, una herramienta controlada por torque se apagará automáticamente después de alcanzar un valor de torque preestablecido. Dependiendo de la precisión y repetibilidad que necesite el fabricante, hay diferentes tipos de tecnologías disponibles a diferentes precios.
Para obtener una descripción general de los tres tipos principales de tecnología de atornillado, consulte nuestro artículo anterior sobre el tema.
Si no hubiera variación entre juntas en la relación torsión-tensión, el método de control de torque sería la forma perfecta de lograr el nivel deseado de fuerza de sujeción cada vez. Sin embargo, como se mencionó anteriormente, factores variables como la fricción agregan imprecisión al proceso. Después de todo, menos del 20 % del torque aplicado al sujetador produce una precarga del sujetador. El resto se utiliza para superar la fricción en las roscas y las superficies de sujeción.
Por lo tanto, aunque el apriete controlado por torque sigue siendo el método de apriete más utilizado en el ensamble a pesar de sus limitaciones, para aplicaciones más exigentes y de alta precisión, los fabricantes tienen que buscar estrategias de apriete más avanzadas.
Apriete de torque y ángulo
Una de estas estrategias se conoce como monitoreo y control de torque y ángulo. Como sugiere el nombre, este método utiliza tanto el torque como el ángulo de rotación para lograr el nivel deseado de precarga en el tornillo. Debido a que una mayor fricción puede hacer que el torque aumente más rápidamente (es decir, después de menos grados de rotación del tornillo), la idea es que, al monitorear el ángulo, podamos tener en cuenta los factores que afectan la relación entre el torque y la fuerza de sujeción para garantizar un alargamiento más constante en el sujetador, lo que da como resultado una cantidad más repetible de fuerza de sujeción aplicada entre las juntas.
Esto puede lograrse de dos formas.
El otro modo, modo ángulo, da prioridad a alcanzar un ángulo preestablecido, mientras se controla el torque de apriete.
A partir de un torque umbral preestablecido, idealmente el torque en el punto de asentamiento del tornillo, la herramienta comenzará a medir el ángulo de rotación y dejará de apretar al alcanzar el número de grados deseado. Además, con atornilladores eléctricos como las series PLUTO, MITO y NATO de Kolver, el operador también puede establecer un torque mínimo y máximo; si el torque final está fuera de esos límites cuando se alcanza el ángulo deseado, la operación dará como resultado un error.
Además, el control de torque y ángulo proporciona datos y gráficos valiosos para el control de calidad y la mejora de procesos. Las mediciones tomadas a lo largo del proceso de apriete se pueden analizar para identificar tendencias, anomalías y posibles problemas, lo que permite realizar ajustes en el proceso de ensamble para mejorar el rendimiento y reducir el riesgo de defectos.
Control de rendimiento y estrategias de apriete avanzadas
Si bien el control de torque y ángulo proporciona un nivel superior de precisión en comparación con el control de torque simple, tiene dos inconvenientes: primero, el ángulo de rotación especificado debe comenzar desde el punto de asiento del tornillo (es decir, cuando la cabeza del tornillo toca la superficie). Si empezamos a medir el ángulo demasiado tarde o demasiado pronto, invariablemente alteraremos el torque de apriete final aplicado. Además, a medida que la relación entre la longitud y el diámetro del perno se reduce, se genera más precarga con cada grado de rotación, por lo que se requiere una mayor precisión.
En segundo lugar, los límites de torsión finales generalmente se tratan como parámetros fijos que no tienen en cuenta la cantidad variable de rotación inducida por fricción o el torque predominante que se encuentra hasta el punto de asiento del tornillo.
En otras palabras, el método de torque y ángulo asegura la consistencia del ángulo y el torque total entre las juntas, pero no necesariamente asegura un torque de sujeción consistente entre las juntas.
En aplicaciones críticas para la seguridad, más comunes en industrias como la aeroespacial y la automotriz, es crucial lograr un nivel constante de fuerza de sujeción, por lo que se deben emplear estrategias de apriete más avanzadas. En estas aplicaciones, el torque de instalación especificado normalmente se indica como un “torque arriba de la fricción” y ahí es donde las herramientas de torque inteligentes que pueden manejar técnicas de apriete avanzadas se vuelven esenciales.
Una de tales técnicas tiene como objetivo determinar dinámicamente el torque predominante encontrado y utilizarlo para determinar el torque de instalación final de modo que se aplique una cantidad constante de fuerza de sujeción de junta a junta. La línea K-DUCER de Kolver de atornilladores eléctricos basados en transductores facilita el empleo de esta estrategia; si está interesado en profundizar en este tema consulte nuestros artículos sobre el bloqueo de torque predominante y la estrategia de torque de fricción.
Esta técnica se puede mejorar aún más mediante la detección automática del punto de asentamiento del tornillo, momento en el que se empieza a aplicar el torque de apriete. Esto es ideal cuando se trata de tornillos autorroscantes, como se explora en nuestro artículo sobre estrategias de varios pasos.
Otra forma de proporcionar más precisión y repetibilidad es el control de rendimiento. Esta técnica, común en la industria automotriz, tiene como objetivo apretar un sujetador hasta su límite de elasticidad, maximizando el potencial de resistencia que es único para cada sujetador. Esto generalmente se logra alcanzando un torque umbral y luego monitoreando el gradiente de torque (es decir, la tasa de cambio del torque sobre el ángulo) en tiempo real y completando el apriete una vez que se alcanza un cierto gradiente.
El principal beneficio del apriete de rendimiento controlado es el mayor nivel de fuerza de sujeción generada junto con la precarga uniforme que proporciona con cada operación, incluso cuando se trata de niveles variables de fricción; su principal desventaja es que es necesaria una precisión extrema en el equipo utilizado para evitar el apriete excesivo y la falla de los sujetadores.
Conclusiones
Como hemos visto, existen varios métodos para apretar sujetadores en los procesos de ensamble, cada uno con sus propias ventajas y desventajas.
El apriete controlado por torque es el método más rentable y ampliamente utilizado e implica medir el torque aplicado al sujetador durante el apriete para lograr un nivel específico de apriete.
El apriete controlado por torque y ángulo implica medir tanto el torque como el ángulo de rotación del sujetador para lograr una medida más precisa de la fuerza de sujeción generada.
La compensación del torque de fricción (o predominante) es un método que ajusta el torque aplicado durante el apriete para compensar las variaciones en la fricción y otros factores que afectan la relación entre el torque y la fuerza de sujeción.
Y el ajuste de rendimiento controlado implica apretar el sujetador hasta que alcanza un punto de rendimiento específico, en el cual el sujetador se deforma plásticamente, lo que indica que ha alcanzado el nivel de ajuste deseado, independientemente de la cantidad de fricción encontrada durante el recorrido.