tema 8.- ajustes y tolerancias de fabricación. generalidades. 8.1.

TEMA 8.- AJUSTES Y TOLERANCIAS DE FABRICACIÓN.
GENERALIDADES.
8.1.- CONCEPTO DE AJUSTE.
Para que un elemento mecánico
funcione correctamente, es necesario que
las distintas piezas que lo forman estén
acopladas entre sí, en condiciones bien
determinadas. Por ejemplo, el conjunto
representado en la figura adjunta,
compuesto por las piezas que en la misma
se señalan, ha de reunir en lo que se
refiere al acoplamiento de las piezas entre
sí, las siguientes condiciones:
a) Que el cojinete (2) y el (3) estén montados a presión en el soporte (1), es decir,
que queden fijos con el soporte;
b) Que el eje (4) gire libremente dentro de los cojinetes (2) y (3); además sería
necesario reglar la posición de la arandela (5), para regular el juego axial (holgura
axial) del eje (4).
Para conseguir la condición (a):
"cojinete que entre a presión en el
soporte", es necesario que el diámetro
exterior d del cojinete sea ligeramente
mayor que el diámetro D del agujero del
soporte, tal como se ve en la figura adjunta,
es decir:
d>D
llamándose aprieto a la diferencia de
diámetros:
d - D = aprieto
Para conseguir la condición (b):
"eje
girando
libremente
en
los
cojinetes", es necesario que el diámetro
exterior del eje (4) sea ligeramente menor
que el diámetro interior de los cojinetes (2)
y (3). Por lo tanto, tal como se ve en la
figura adjunta,
d<D
llamándose juego a la diferencia de diámetros:
D - d = juego
En general, a las características de juego o aprieto que presenta el conjunto formado
por dos piezas que encaja una dentro de la otra, se llama AJUSTE. Por tanto:
•
El caso (a) se tratará de un ajuste FIJO.
•
El caso (b) será un ajuste MÓVIL.
8.2.- CLASES DE AJUSTE.
No todas las piezas cuyo montaje requiere un ajuste móvil han de tener el mismo
juego. Cuanto mayor tenga que ser la precisión del acoplamiento, en general, menor será el
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juego. Así, vemos que para un acoplamiento de precisión, el juego es de milésimas, mientras
que para un acoplamiento ordinario puede llegar a valer incluso décimas de milímetro.
Otro tanto se podría decir en cuanto al aprieto de los ajustes fijos.
8.3.- FORMA DE LOS AJUSTES.
Siendo los acoplamientos de piezas cilíndricas los más empleados, se generalizaron
las denominaciones de:
•
Agujero para la pieza hembra que contiene.
•
Eje para la pieza contenida.
sean o no cilíndricas. En consecuencia, un ajuste puede estar formado por piezas cilíndricas,
cónicas, prismáticas, en cola de milano, etc., tal como se observa en las figuras siguientes,
pero siempre estará compuesto por dos piezas: EJE y AGUJERO.
8.4.- CONSTRUCCIÓN DE LAS PIEZAS DE UN ELEMENTO
MECÁNICO.
La experiencia demuestra que
no es posible construir una pieza cuyas
cotas sean exactamente iguales a las
cotas que señala el plano (figura
adjunta).
Esta imposibilidad de poder
obtener una cota exacta, es debida a
las causas siguientes:
Errores cometidos por el aparato de medida;
Errores e incertidumbres debidas al operario;
Errores debidos a deformaciones mecánicas;
Errores debidos a dilataciones térmicas;
Errores debidos a la falta de precisión de la máquina.
Cuanto más esmerada sea la fabricación, empleando aparatos de medida y máquinas
de más precisión, temperatura ideal de 20ºC, etc., menor será la diferencia entre las cotas
reales de la pieza mecanizada y las del plano, pero de todas formas SIEMPRE SE
COMETERÁ UN PEQUEÑO ERROR en la obtención de una cota determinada.
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8.4.1.- Errores originados por las distintas máquinas-herramientas.
A título de orientación, se da a continuación la precisión que se puede obtener con
algunas máquinas-herramientas de tamaño reducido, siempre que, tanto éstas como las
herramientas empleadas estén en perfecto estado y efectuando una mecanización cuidadosa.
Máquina
mm.
1. Cepilladora.............................0.100
2. Fresadora...............................0.050
3. Torno paralelo........................0.020
4. Rectificadora..........................0.005
5. Rectificado preciso.................0.001
6. Superacabado........................0.0005
Por lo tanto se comprende que no es posible obtener una pieza en cepilladora con error
menor de 100 micras sobre las cotas del plano, 50 micras en fresadora, etc.
En consecuencia, si hay que construir, por ejemplo, por torneado un lote de piezas a un
diámetro determinado, llamado DIÁMETRO NOMINAL, las cotas reales de las piezas
mecanizadas estarán comprendidas dentro de una ZONA DE ERROR, tal como se ve en las
figuras siguientes.
Resumiendo, en las cotas de toda pieza mecanizada hay que tolerar un error, cuya
magnitud depende principalmente de la precisión de la máquina a utilizar y del esmero que se
ponga en la ejecución: aparato de medida, temperatura, categoría del operario, etc. Este error
se llama "TOLERANCIA DE FABRICACIÓN" o simplemente "TOLERANCIA". De forma
inversa, si se desea obtener una pieza con una precisión dada (por ejemplo, cotas muy
próximas a las indicadas en el plano), se fija de antemano el error máximo admisible
(TOLERANCIA DE FABRICACIÓN) que se desea obtener y a la vista del mismo se elige la
máquina apropiada para su elaboración.
8.5.- POSICIÓN DE LA TOLERANCIA.
Una vez que se fija la magnitud de la torelancia (error máximo admitido en la
construcción de la pieza), cabe preguntar: ¿la cota real de la pieza a de permanecer inferior a
la cota nominal? ¿puede exceder de ésta? ¿ la cota nominal ha de estar comprendida en esa
zona de error o zona de tolerancia?
En el supuesto de que se fije una tolerancia de 0.040 mm. para el eje de 25 mm. de
diámetro de la figura adjunta, según se fije la tolerancia en (+) o en (-) o en (±), el diámetro real
de la pieza podría estar comprendido entre los límites siguientes:
Posición (a); tolerancia (+):
Diámetro máximo = 25.040 mm.
Diámetro mínimo = 25.000 mm.
Posición (b); tolerancia (-):
Diámetro máximo = 25.000 mm.
Diámetro mínimo = 24.960 mm.
Posición (c); tolerancia (±):
Diámetro máximo = 25.020 mm.
Diámetro mínimo = 24.980 mm.
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Incluso podrían adoptarse numerosas posiciones con tolerancia (±), pero repartidas
desigualmente a ambos lados de la línea de referencia.
Por lo tanto, a la tolerancia se le puede fijar una POSICIÓN, con lo cual se obtendrían
diámetros cuyas cotas, aun estando dentro de la tolerancia, tendrían valores distintos. Esta
posición de la tolerancia, la determina la característica de juego o aprieto que deba tener el
ajuste.
Ejemplo: si tenemos mecanizado un agujero a una cota determinada D y queremos
ajustar en él un eje, a éste le pondríamos la tolerancia a menos si lo que deseamos es un
ajuste de entrada suave (el eje se desliza dentro del agujero); utilizaríamos la tolerancia a
más si queremos que el eje entre algo forzado en el agujero (meterlo a golpe de mazo de
madera).
Si lo que se desea es un ajuste móvil que tenga mucho juego, se fija la tolerancia en
función del "juego máximo" y "juego mínimo" admitido. Ejemplo: supongamos que tenemos un
agujero mecanizado con un diámetro de 25.000 mm. y que se desea ajustar en él un eje que
dé un juego comprendido entre 0.010 mm. y 0.025 mm.
En este caso particular, si respetamos en diámetro del agujero, el diámetro real del eje
estaría comprendido entre los siguientes valores límites:
Diámetro máximo = 24.990 mm.
Diámetro mínimo = 24.975 mm.
Tolerancia del eje: 24.990 - 24.975 = 0.015 mm.
8.6.- CÓMO NO SE DEBE DE ACOTAR.
Un procedimiento incorrecto que no se debe emplear para señalar una cota y tolerancia
determinada de un eje (o agujero), sería el de acotar como diámetro nominal el diámetro
máximo (o el diámetro mínimo) y sobre éste la tolerancia, en nuestro caso señalando la
tolerancia de 0.015 mm. en "menos" (o en "más"), tal como se indica en las siguientes figuras.
Este procedimiento no es cómodo, porque para las piezas de un mismo ajuste, el
agujero tendría un diámetro nominal y el eje otro diámetro nominal distinto (en nuestro caso
podría ser 24.990 o 24.9975, según se tome el diámetro máximo o mínimo). Esto da lugar a
confusiones al tener que comparar entre sí piezas de un mismo ajuste. Por otra parte, saldrían
para los diámetros nominales números decimales, cosa que tampoco es conveniente.
Por las razones expuestas, al eje
se le pone el mismo diámetro nominal
que tiene el agujero (o al agujero el
mismo que tiene el eje) y se indica la
posición de la tolerancia en el eje (o en el
agujero), acotando las diferencias que
hay entre el diámetro nominal y los
diámetros
máximo
y
mínimo,
respectivamente.
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A la línea O-O' correspondiente a la generatriz del cilindro de diámetro nominal, se
denomina LÍNEA CERO o LÍNEA DE REFERENCIA.
A las diferencias citadas se denominan DIFERENCIAS DE REFERENCIA, siendo para
el eje:
diferencia superior = ∅nominal - ∅máximo.
diferencia inferior = ∅nominal - ∅mínimo.
En los planos, las diferencias de referencia se colocan al lado de la cota nominal con el
correspondiente signo. Las figuras siguientes muestran diferentes posibilidades de cómo se
debe de acotar una tolerancia numéricamente, de acuerdo con su POSICIÓN Y MAGNITUD.
8.7.- VENTAJAS DE UN SISTEMA DE TOLERANCIAS: LOS DOS
MÉTODOS DE FABRICACIÓN.
En el mecanizado de piezas que deban ser acopladas entre sí pueden seguirse dos
métodos de ejecución: a) método artesano; b) método racional.
Ejemplo: supongamos que se desea fabricar piezas acopladas entre sí con "ajuste móvil" que tienen un
diámetro nominal de 25 mm. y teniendo que dar un "juego" comprendido entre 8 y 42 milésimas.
PROCESO DE EJECUCIÓN
MÉTODO ARTESANO
MÉTODO RACIONAL
1º.
Construir
los
agujeros
aproximándose lo más
posible al diámetro
nominal.
1º. Fijar la magnitud y
posición de las tolerancias
en función del "juego"
deseado, tanto en
el
agujero como en el eje.
2º. Acoplar un eje a 2º. Mecanizar agujeros y
cada
agujero
ya ejes,
repetando
la
mecanizado
tolerancia señalada.
procurando que entre
ambos quede un juego
de 8 a 42 micras.
8.7.1.- Resultados obtenidos con el "método artesano".
Una vez mecanizados los agujeros, elijamos dos piezas cualesquiera A y B (siguientes
figuras) y supongamos que sus diámetros son 25.015 y 24.987 mm., respectivamente.
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Para lograr el ajuste deseado, se acoplan dos ejes A' y B' a los respectivos agujeros,
pero con la condición de dejar un "juego" entre el eje y el agujero comprendido entre las 8 y 42
micras.
Supongamos que el "juego" que quedó en el conjunto A-A' es de 14 micras y en el
conjunto B-B' de 17 micras. En este caso, los diámetros de los ejes A' y B' serán:
diámetro del eje A': 25.015 - 0.014 = 25.001 mm.
diámetro del eje B': 24.987 - 0.017 = 24.970 mm.
Discusión:
1. El ajuste A-A' es correcto y también lo es el ajuste B-B'.
2. El eje B' no es acoplable en el agujero A, ni el A' en el agujero B, porque
proporcionarían un excesivo juego o aprieto, respectivamente.
3. Para hacer los ejes es necesario tener a mano los agujeros donde probar el eje a
medida que se va mecanizando.
4. En consecuencia de lo dicho anteriormente, las dos piezas, agujero y eje, deben
ser mecanizadas por el mismo operario.
Por lo tanto, este método de trabajo resulta antieconómico:
1. Porque no permite la intercambiabilidad de las piezas, indispensable en las
modernas fabricaciones en serie.
2. No permite la construcción de piezas con independencia unas de otras.
3. Como consecuencia de las anteriores dificultades es un método lento y, por lo
tanto, costoso.
4. En estos procedimientos de fabricación artesanos, incluso la mayor parte de las
veces, solamente se le indica al operario la calidad del ajuste: móvil, giratorio,
holgado, forzado, zunchado, deslizante, etc., en cuyo caso la calidad del ajuste
queda limitada a la mayor o menor experiencia y habilidad del trabajador.
Resumen: El "método artesano de ejecución" es un mal procedimiento de
fabricación.
8.7.2.- Resultados obtenidos utilizando el "método racional".
Se dijo que el "método racional" de fabricación consistía en fijar de antemano la
"magnitud de la tolerancia" y la "posición" de la misma, con relación a la línea de referencia.
En nuestro caso, la magnitud de la "tolerancia" viene determinada por los valores del
juego máximo y mínimo, es decir:
tolerancia = 42 - 8 = 34 micras
o también:
tolerancia: t = dmáx - dmin = 24.992 - 24.958 = 0.034 mm.
pero en el caso representado en la
figura adjunta, se pone la tolerancia en
el eje y nada en el agujero, lo cual
quiere decir que los agujeros tendrían
que ser mecanizados a la cota exacta
de 25.000 mm. de diámetro; como esto
es imposible, la tolerancia (t = 34
micras) que acumulamos intregramente
en el eje, debe de ser repartida entre
éste y el agujero.
Si la repartición de la tolerancia
se hace a partes iguales entre el eje y el agujero, las dimensiones de ambos elementos podrían
ser las representadas en la figura siguiente.
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En la práctica se concede,
generalmente, más tolerancia al
agujero que al eje, debido a que, por
regla general, éste presenta más
dificultad en el mecanizado para
obtener la cota deseada.
Agujero:
Tolerancia: t = 34/2 = 17 micras
Diferencia superior: Ds = + 17 micras
Diferencia inferior: Di = 0
Eje:
Tolerancia: t = 34/2 = 17 micras
Diferencia superior: ds = - 8 micras
Diferencia inferior: di = - 25 micras
Con esta repartición, todos los agujeros tendrán su diámetro comprendido entre las
cotas de:
Diámetro máximo del agujero = 25.000 + 0.017 = 25.017 mm.
Diámetro mínimo del agujero = 25.000 mm.
y los diámetros de los ejes estarán comprendidos entre los siguientes límites:
Diámetro máximo del eje = 25.000 - 0.008 = 24.992 mm.
Diámetro mínimo del eje = 25.000 - 0.025 = 24.975 mm.
Si elegimos un agujero cualquiera de los mecanizados, pronto comprobaremos que
ajusta perfectamente en cualquier eje elegido también al azar. Efectivamente, si elegimos los
diámetros máximos y mínimos del agujero y eje, respectivamente (que es el caso más
desfavorable), tendremos:
Juego máximo = Dmáx - dmin = 25.017 - 24.975 = 0.042 mm.
Juego mínimo = Dmin - dmáx = 25.000 - 24.992 = 0.008 mm.
que son los valores límites del juego, fijados de antemano.
Discusión:
1. Un eje cualquiera elegido al azar, ajusta correctamente en cualquier agujero.
2. Para mecanizar los ejes no es necesario disponer de los agujeros.
3. En consecuencia de lo dicho anteriormente, los agujeros pueden ser mecanizados
por un operario y los ejes por otro operario distinto.
4. La calidad del ajuste no depende directamente de los conocimientos que posea el
operario, puesto que él se limita a dejar las piezas dentro de las tolerancias
señaladas.
5. El procedimiento es más rápido y por lo tanto menos costoso que el de fabricación
artesana.
En resumen: el "método racional" permite realizar el trabajo más eficientemente,
porque:
1. Permite la intercambiabilidad.
2. Facilita la construcción de las piezas que componen el ajuste con independencia
unas de otras.
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3. No deja la calidad del ajuste a la iniciativa del operario.
4. Es el procedimiento más económico para la fabricación.
En resumen, podemos dejar establecidos los siguientes principios:
1. En toda pieza construida hay que admitir una tolerancia de fabricación.
2. Cuando se trata de dos piezas que van acopladas entre sí (ajustadas), la
tolerancia que se les ponga, tanto al agujero como al eje, dependen de la
calidad y características del ajuste (preciso, medio, basto..., giratorio,
deslizante, fijo...).
3. Cuando menor sea el valor de la tolerancia, más difícil y laboriosa es la
mecanización de la pieza y, por lo tanto, más dinero cuesta.
4. Se deben de utilizar amplias tolerancias de fabricación, pero compatibles con
el buen funcionamiento de las piezas fabricadas.
Asímismo, de una forma general, estableceremos las siguientes definiciones:
Ajuste.
Denominación genética utilizada para designar el conjunto de dos piezas que acoplan
entre sí, una interior (eje) y otra exterior (agujero).
Medida nominal (D).
Es el valor indicado en el dibujo o plano para una medida determinada; dicha medida
fija la posición de la línea de referencia (LR).
Medida efectiva.
Es la medida real que tiene la pieza construida.
Línea de referencia.
Es la línea que corresponde a la medida nominal.
Tolerancia (t).
Error que se admite en la
fabricación, es decir, la diferencia entre
la medida máxima y la medida mínima
que puede tener la pieza.
Diferencia superior (ds
para ejes y Ds para
agujeros).
Distancia entre el límite superior
de la tolerancia y la línea de referencia.
Es positiva (+ ds o + Ds) si dicha
diferencia está por encima de la línea de
referencia y negativa (- ds o - Ds) cuando está por debajo.
Diferencia inferior (di para ejes y Di para agujeros).
Distancia entre el límite inferior de la tolerancia y la línea de referencia. Es positiva
cuando está por encima de la línea de referencia y negativa cuando está por debajo.
Diámetro máximo (dmáx para el eje y Dmáx para el agujero).
El mayor diámetro que puede tener la pieza.
Diámetro mínimo (dmin para el eje y Dmin para el agujero).
Es el menor diámetro que puede tener la pieza.
Juego máximo (Jmáx).
Holgura máxima que puede haber entre el eje y el agujero, es decir, diferencia entre el
diámetro máximo del agujero y el diámetro mínimo del eje.
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Juego mínimo (Jmin).
Holgura mínima que puede haber entre el eje y el agujero, es decir, diferencia entre el
diámetro mínimo del agujero y el diámetro máximo del eje.
Aprieto (A).
Cuando el diámetro del eje es mayor que el diámetro del agujero, se produce una
"interferencia" de diámetros; a la diferencia de diámetros se le llama aprieto.
Aprieto máximo (Amáx).
Es el aprieto que se produce cuando el eje tiene el diámetro máximo y el agujero el
diámetro mínimo.
Aprieto mínimo (Amin).
Es el aprieto que se produce cuando el eje tiene el diámetro mínimo y el agujero el
diámetro máximo.
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