Instituto Tecnológico de Cd. Guzmán Carrera: Ingeniería Mecánica
Tema: Ensayo de Juntas atornilladas
Práctica (2,3, 4)
Catedrático: Ing. Jonas García Ramos
Integrantes: RAMON DE NIZ GARCIA ESAU GARCIA VADILLO DANIEL ALONSO PRECIADO CEBALLOS LAURO DAMIAN DE LA ROSA BLANCO MAURO OJEDA SANCHEZ
Fecha: 22/02/01
INTRODUCCIÓN
Las juntas atornilladas en algunos casos sustituye a la unión por soldadura ya que no generan la misma resistencia que si hacemos una sujeción mediante tornillos o pernos pero que genera un alto costo; como por ejemplo en los aviones aviones jumbo como el Boeing 747 requiere de hasta 2.5 millones de sujetadores, algunos de los cuales tienen un precio considerable por pieza. Cuando se desea que una unión o junta pueda ser desensamblada sin aplicar métodos destructivos y que sea lo suficientemente fuerte para resistir cargas externas de tensión, de flexión o de cortante, o una combinación de estas, entonces la junta atornillada simple con rondanas o arandelas templadas en el perno es una buena solución. También existen otro tipo de tornillos que son muy utilizados como lo son los tornillos de potencia que permiten cambiar el movimiento angular en un movimiento lineal y por lo general sirven para transmitir potencia como se utilizan en tornillos de tornos, tornillos para prensas de banco y prensas de sujeción y gatos.
OBJETIVOS:
Calcular la longitud del tornillo y obtener las características necesarias que se deben tener para hacer su compra. Conocer el par de apriete que se le debe de dar a una junta atornillada para que funcione de manera eficiente. Realizar el análisis de falla de la junta atornillada por la cual no funciono de manera eficiente.
MATERIAL Y EQUIPO:
Maquina Universal Tornillo de banco Vernier Flexómetro Taquímetro Planta de soldar Soldadura E-6013 Segueta 4 Tornillo de cabeza hexagonal regular
3/8-16 UNC-
grado 7
MARCO TEÓRICO Roscado Es una superficie helicoidal, engendrada por un perfil determinado, cuyo plano contiene el eje y describe una trayectoria helicoidal cilíndrica alrededor de este eje.
Características de las roscas:
Paso: Es la distancia que hay entre dos filetes consecutivos. Diámetro exterior de la rosca : Es el diámetro exterior del tornillo. Diámetro de flanco o medio: Es el diámetro entre el diámetro mayor y menor. Diámetro de núcleo o raíz: Diámetro mas pequeño de una rosca de tornillo Angulo de la hélice de la rosca
Rosca métrica:
Esta basada en el Sistema Internacional y es una de las roscas mas utilizadas en la unión desmontable de piezas mecánicas. El juego que tiene en los vértices del acoplamiento entre el tornillo y la tuerca permite el engrase. Características: La sección del filete: es un triangulo equilátero cuyo ángulo vale 60°. El fondo de la rosca es redondeado y la cresta de la rosca levemente truncada. El lado del triangulo es igual al paso.
TIPOS DE ROSCAS:
Se aplica en donde es importante la sujeción por fricción o el ajuste, como en instrumentos de precisión, aunque su utilización actualmente es rara.
Esta rosca puede transmitir todas las fuerzas en dirección casi paralela al eje, a veces se modifica la forma de filete cuadrado dándole una conicidad o inclinación de 5° a los lados.
Este tipo de rosca se utiliza para dirigir la fuerza en una dirección. Se emplea en gatos y cerrojos de cañones.
Tipos de rosca de acuerdo al avance:
Avance: es la distancia que avanzaría el tornillo relativo a la tuerca en una rotación. Para un tornillo de rosca sencilla el avance es igual al paso, para uno de rosca doble, el avance es el doble del paso, y así sucesivamente.
TIPOS DE TORNILLOS:
PAR DE APRIETE ALTO
a) Tornillo de cabeza hexagonal. b) Tornillo de cabeza cilíndrica con hexágono interior (Allen).
PAR DE APRIETE LIMITADO
c) Tornillo de cabeza cilíndrica con ranura. d) Tornillo achaflanado con ranura. e) Espárrago.
TIPOS DE ROSCAS:
a) Tuerca hexagonal (más común). b) Tuerca redonda aplanada. c) Tuerca de orificios cruzados. d) Tuerca ranurada.
UNIÓN POR TORNILLO-TUERCA:
1-Tornillo. 2- Tuerca 3- Arandela 5 y 6- piezas a unir
Fi= precarga inicial Kp= rigidez del tornillo Km= rigidez de las piezas sujetadas P= carga que se aplica.
En las juntas atornilladas; apretando las tuercas se estira el perno y de esta manera se produce la fuerza de sujeción o también llamada precarga o pretensión inicial y se aplica una carga P esta carga se reparte entre el perno y las piezas unidas. El reparto depende de la relación de la rigidez de ambos elementos.
PAR DE APRIETE Par de fuerza con el que se debe apretar un tornillo o una tuerca. Se expresa en varias unidades y para aplicarlo se usan llaves dinamométricas o pistolas atornilladoras que pueden regular el par máximo de apriete. El par de apriete crea la tensión en el tornillo que provoca la sujeción de las piezas. Esta tensión depende de la métrica del tornillo y de su dureza, por lo que el par de apriete también depende de esos factores. Otras variables que también influyen sobre el par son: material de las arandelas, lubricantes y otros que facilitan el deslizamiento de la tuerca, de modo que el mismo par de apriete genera tensiones diferentes en el tornillo.
Par de apriete húmedo y par de apriete seco: El par de apriete húmedo está asociado con un lubricante dado (típicamente grasa). Debe ser determinado empíricamente (haciendo pruebas de tensión sobre el tornillo). Bajo ningún motivo debe cambiarse el lubricante, puesto que se modificaría el coeficiente de fricción alterando el esfuerzo axial en el tornillo. El par aplicado en los tornillos con lubricante está determinado por las características del material y la dureza de los tornillos y la rosca involucrados. Típicamente los par de aprietes húmedos o lubricados son mucho menores que los de apriete seco.
Aplicación del par: El par de apriete se debe aplicar con una llave de par, girando la tuerca hasta que la llave "salta", esto es, deja de trabajar. En ningún caso se debe hacer de forma intermitente, "a golpes", debido a la diferencia entre los rozamientos estático y dinámico. Por el mismo motivo, para comprobar el par de una tuerca ya apretada, se debe marcar su posición, con un lápiz, por ejemplo, y aflojar dicha tuerca, para volver a apretarla con la llave de par. Las marcas de lápiz deberán coincidir.
TIPOS DE FALLA DE LAS JUNTAS ATORNILLADAS
FALLA POR AGOTAMIENTO La unión del material de las chapas a unir en las paredes del taladro efectuado para alojar el tornillo. La resistencia frente al aplastamiento se expresa en función de la tensión de rotura del acero de las chapas a unir y no de la tensión del limite elástico, debido ala existencia inevitable de valores altos en las deformaciones locales que hacen trabajar el material a tensiones mas allá del limite elástico. FALLA POR TRACCIÓN:
Si la unión trabaja a tracción y a cortante, es necesario comprobar que no falle bajo esta solicitación combinada. En el caso de tornillos solicitados según la dirección de su eje (tracción), tenemos:
Uniones con tornillos sin pretensar para esta categoría se utilizaran tornillos ordinarios o de alta resistencia, aunque no se requiere pretensado. Uniones con tornillos pretensados de alta resistencia. Se utilizaran solo tornillos de alta resistencia con apretado controlado.
FALLA POR CORTADURA Trabajan a cortadura y aplastamiento. Para uniones de esta categoría se permiten tornillos de cualquier calidad, incluso de alta resistencia sin pretensar o pretensados pero sin controlar su par de apriete.
DESARROLLO
Se cortaron 2 placas de 3/8” x 6 y 2 placas de 1/4” x 3
Se aplicaron puntos de soldaduras en los extremos de la placa y se colocaron en forma de traslape para evitar su movimiento.
Ya soldadas las placas se hicieron 4 barrenos de 3/8 de forma concéntrica
Se colocaron los pernos previamente calculados y se les dio el par de apriete necesario.
Se monto la junta atornillada en el carro porta mordazas para hacerle un ensayo a tensión.
Se aplico carga hasta hacer fallar la junta atornillada.
Junta con falla por cortante en los pernos
CÁLCULO DE LA LONGITUD DEL TORNILLO
PLACA SAE-1006HR DE 3/8 DEESPESOR ”
PLACA SAE-1006HR DE
¼
”
DE ESPESOR
Longitud del tornillo:
=2 + + =24+38+264 =.203
=3
Tamaño estandarizado:
(Tabla A-17)
Longitud Roscada:
=2 + 4 =238+ 4 =
Longitud de agarre:
=2 + =24+38 =0.875
Longitud útil no roscada:
= =4 = 4
Longitud de la parte roscada de agarre:
= =0.8750.25 =0.625
= =0.0775 3 8 = 4 = 4 =0.04 =30 5 0. 040. 0 77530 = = =2. 9 044 + .04.625+0.07750.25 ==.5=.5 38 =0.5625 =300.25=0.443 =+2=0.5625+20.443=0.85
De la tabla 8.2 con un
Para un acero al carbono al modulo de elasticidad es:
3 0. 5 77430 0. 5 774 8 = = 3 3 . 55++ . 55 +0. 5 625 0. 5 625+ ⌊ .55++ ⌋ 4 83 8 .55 4 +0.5625+ 80.5625 38 =30.7489
3 0. 5 77430 0. 5 774 8 = 3 3 3 . 55 +0. 8 5 0. 8 5+ ⌊..555++ ⌋ 8 8 5++ .55 38 +0.85+ 380.85 838 =5.9892 = 30.72489 + 5.92892 =5.2596 = 2.9094+5. 2.90942596 =0.3557 = +
Tornillo estandarizado 3/8-16 UNC-
7
CÁLCULO DEL PAR DE APRIETE
Ecuación del par de torsión del perno
Carga de prueba:
= =33 0.0775 =0.3075
=
→ 8 9 → 8 2
Precarga para conexión permanente:
=0.9 = 0.90.3075 =9.27675
=0.75 0.90
,
=9.276750.238 =0.6957
JUNTA ATORNILLADA
F O R M A D E O B T E N E R E L P A R D E A P R I E TE Q U E S E L E D E B E D A R A L A TUERCA
3 = 48 =0.036855 4 =0.265 4 0 . 0 36855 = = = 0.265+0.2 375 =0.29575
Coeficiente de fricción
= =0.5 = − 0.29575 6 =3.8483
=
−
N=Numero de hilos /in de la rosca
5sec30°30°+0.6250.59.2767 38 =0.22937538 0.3.85483+0.3.8483
3 =0.39433.0.292967226 9. 2 767 88349068 8 =0.68265
ANÁLISIS DE FALLA DE LA JUNTA ATORNILLADA
ELEMENTOS Placas acero AISI 1006 HR
0 105 KPSI
Perno 3/8
Nota: el factor falla.
=
43 KPSI 133 KPSI
24 KPSI 0
por que en el ensayo estamos llevando la junta atornillada hasta su
Aplastamiento de los pernos, todos cargados.
F
2tdS p
2(3 / 8)(3 / 8)105
nd
1
29.53 KIPS
Aplastamiento de los elementos, pernos activos.
F
2tdS p
2(3 / 8)(3 / 8)24
nd
1
6.75 KIPS
Cortante del perno.
F
0.577 d 2
0.577 (3 / 8) 2 ( 105 ) 1
26.7656 KIPS
Si las roscas de los pernos se extienden en uno de los planos.
F
0.577(4 Ar S p )
0.577(4(0.0678)(105))
nd
1
16.43 KIPS
Cortante del borde del elemento en dos pernos del margen.
F
4at 0.577S y elem
4((0.625)(3 / 8)(0.577)(24)
n1
1
12.98 KIPS
Fluencia por tensión de los elementos a lo largo de los agujeros de los per nos.
F
4
2(3 / 4)tS y elem
nd
4
2(3 / 4)(3 / 8)(24) 1
Fluencia del elemento.
F
wtS y elem
nd
4(3 / 8)24
1
36 KIPS
22.5 KIPS
CONCLUSIONES En esta práctica pudimos observar que resistió más la junta atornillada que la junta soldada. En base a lo anterior y con los cálculos realizados para el tornillo, nos dimos cuenta que es necesario el buen manejo de unidades ya que entre mas unidades manejes mayor será el grado de exactitud para el apriete requerido. Una unión atornillada esta presente en muchas o en la mayoría de las maquinas que conocemos. En esta ocasión tuvimos la oportunidad de diseñar y evaluar una junta atornillada a traslape, sometida a tensión. Los resultados arrojados del ensayo a tensión fue una eminente falla por cortante en los pernos soportando una carga de 11,240 kg, el calculo previo del tamaño del tornillo el par de apriete y el análisis de falla de la unión atornillada nos dejaron una idea mas clara y concisa sobre el camino que el ingeniero tiene que pasar para lograr una unión eficiente. Es oportuno mencionar que el trabajo que realizamos no es un todo, sino una pequeña parte de un largo camino por recorrer.
