Uniones atornilladas: por qué importa el par de apriete

La precarga es lo que sujeta

Al apretar una tuerca, el tornillo se alarga unas centésimas de milímetro y las piezas se comprimen. La fuerza resultante es la precarga. Mientras las cargas externas sean menores que ella, las piezas no se separan ni deslizan, y el tornillo apenas nota las variaciones de carga: la mayor parte las absorben las piezas comprimidas. Por eso una unión bien apretada resiste la fatiga, y una floja falla aunque el tornillo sea muy resistente.

En una unión que trabaja a cortante, como una cartela o una brida, son las piezas las que transmiten la carga por rozamiento gracias a la precarga; si esta se pierde, las piezas deslizan, el tornillo trabaja a flexión y acaba rompiendo.

Clases de calidad

La resistencia del tornillo se indica con su clase de calidad, grabada en la cabeza. En acero, según la ISO 898-1:2013, el primer número es la centésima parte de la resistencia a tracción nominal en MPa y el segundo, diez veces la relación entre límite elástico y resistencia:

• 8.8: 800 MPa de resistencia y 640 MPa de límite elástico. La más común en construcción mecánica.
• 10.9: 1.000 y 900 MPa. Para uniones muy cargadas o compactas.
• 12.9: 1.200 y 1.080 MPa. Más sensible a la fragilización por hidrógeno si se recubre electrolíticamente.
• A2-70 y A4-70: inoxidables austeníticos según la ISO 3506-1:2020, con 700 MPa de resistencia mínima. A4 contiene molibdeno y resiste mejor el ambiente marino. Su límite elástico es menor que el de un 8.8 y tienden a gripar al apretar.

Los valores nominales sirven para designar; para calcular se usan los mínimos de la norma, que varían algo con el diámetro.

Del par a la precarga: el problema del rozamiento

La precarga casi nunca se mide directamente: se aplica un par de apriete y se confía en que produzca la fuerza esperada. La relación simplificada es T = K · F · d, donde T es el par, F la precarga, d el diámetro nominal y K un coeficiente que agrupa la geometría y el rozamiento, típicamente de 0,15 a 0,25.

El problema es que solo una pequeña parte del par estira el tornillo. Un cálculo con el método de la guía alemana VDI 2230 para un M10 de calidad 8.8 con un coeficiente de rozamiento µ = 0,12 da que, de unos 49 N·m, casi la mitad se pierde bajo la cabeza, cerca del 40 % en la rosca y solo un 10⁠–⁠15 % se convierte en precarga, unos 29 kN. Es la regla conocida de que en torno al 85⁠–⁠90 % del par se va en rozamientos.

Como el rozamiento domina, cualquier cambio en él altera mucho la precarga. Con el mismo par, si el rozamiento baja a 0,08 por un lubricante o un recubrimiento deslizante, la precarga sube alrededor de un 40 % y el tornillo puede plastificar; si sube a 0,16 por una rosca seca o sucia, baja más de un 20 %. Por eso las tablas de pares siempre indican el rozamiento supuesto, y no deben usarse con otro acabado o lubricación.

Aflojamiento por vibración

La causa principal del aflojamiento es el deslizamiento transversal de las piezas: si la unión se mueve lateralmente, aunque sea décimas de milímetro, la rosca va girando poco a poco. Los ensayos de vibración transversal (normalizados, por ejemplo, en la ISO 16130) lo demuestran. De ahí las soluciones, por orden de eficacia:

• Precarga suficiente: la mejor protección es que las piezas no deslicen. Tornillos más largos y elásticos también pierden menos precarga por asentamiento.
• Fijadores químicos (adhesivos anaeróbicos para roscas) y arandelas de seguridad en cuña, que bloquean el giro.
• Tuercas autoblocantes con inserto de poliamida o deformadas, que impiden que la tuerca se pierda aunque no garantizan la precarga.
• Las arandelas Grower (partidas) y las dentadas apenas aportan con tornillos de alta resistencia; la norma DIN 127 que las definía se retiró hace años.

La vibración también importa en el diseño de equipos que se transportan o embarcan; está relacionada con los ensayos de la MIL-STD-810.

Tornillos en aluminio

Un tornillo de acero roscado directamente en aluminio exige más longitud de rosca, porque el aluminio es mucho menos resistente que el tornillo: como orientación, de 1,5 a 2 veces el diámetro, frente a una vez en acero. Si la rosca se va a montar y desmontar a menudo, o la pieza es fina, se usan insertos roscados helicoidales de acero inoxidable, que reparten la carga en un diámetro mayor y resisten el desgaste, o insertos macizos. Hay que cuidar también el par: el aluminio bajo la cabeza puede hundirse si la presión es excesiva, y se usan arandelas anchas o cabezas con valona. Y entre acero y aluminio puede aparecer corrosión galvánica en ambientes húmedos.

Apriete controlado

Una llave dinamométrica calibrada da una precarga con una dispersión del ±20⁠–⁠30 %, debida sobre todo al rozamiento. Para uniones críticas existen métodos mejores: apriete por par y ángulo, hasta el límite elástico, o medida directa del alargamiento del tornillo por ultrasonidos. En todos los casos, el par se indica en el plano junto con la lubricación prevista, y se aprieta en cruz y por etapas cuando hay varios tornillos.