bajo tensión - LOWDE Tornillos de Titanio

TORNILLOS
74 | LA MOTO
BAJO
TENSIÓN
Un griego llamado Arquitas de Tarento se despertó inspirado y nos regaló una de esas
maravillas que uno utiliza sin pensar que alguien en su día lo inventó. Detrás del «Pásame un
métrica 8» se esconde mucho talento y mucha tecnología, tanta que la diferencia entre un
motor ganador o un motor roto puede ser un cuarto de vuelta de llave. CARLOS BELTRÁN. FOTOS:
LOWDE-TITANIUM / GOLD&GOOSE
S
iguiendo con la serie Hi-Tech hemos llegado a un
lugar donde no pensé que jamás llegaría... ¿Que
escriba un artículo sobre tornillos? Desde luego
es un reto y más reto aún que alguien lo lea...
Así que para despertar tu curiosidad te diré que
descubrirás un montón de cosas muy interesantes. Quizá
pienses que te esté engañando, pero no lo podrás saber hasta
que acabes de leerlo. Una vez lanzado el anzuelo habrá que
entrar en materia... Las motos, y sobre todo sus motores, son
el centro de la creatividad de mucha gente que sólo sueña con
ir más y más deprisa. Cada parte de un motor se fabrica por
separado y se une mediante tornillos. Una correcta elección
de estos elementos significará menores esfuerzos en las
piezas, menor peso, centro de gravedad más bajo, menores
inercias, etc. Al centrarnos tanto en la relación peso-potencia
tenemos que reducir al mínimo el número de tornillos y lo que
nos obliga a trabajar al límite de su resistencia.
ELEGIR EL MATERIAL
Pero ¿sabes cómo trabaja un tornillo? Te aseguro que cuando
lo descubres te sorprende. Al apretar un tornillo a su par
recomendado éste se tensa y se alarga. A la vez comprime a
las piezas que une y produce mucho rozamiento entre ellas.
Una vez creada esta unión, el tornillo recibe entre un 20 y
un 30 % de los esfuerzos, ya que el resto lo absorbe dicha
fricción entre las piezas. Bueno, esto es verdad sólo en ciertas
condiciones, pero te da una idea de lo ventajoso que puede
llegar a ser este sistema de fijación. Como en cualquier pieza,
la elección del material será absolutamente clave. Desde
duraluminios hasta superaleaciones cada entorno requiere de
una solución específica.
Son frecuentes las tuercas de aluminio ya que al utilizar
una pieza de menor rigidez se alivia la concentración de
esfuerzos en la parte que más sufre del tornillo, que es la
transición entre el espárrago y la cabeza. El problema de
estas roscas es que se «vayan» si apretamos y aflojamos
frecuentemente. Sólo se deben emplear tornillos de aluminio
en puntos donde de verdad se conozcan los esfuerzos o donde
haya encastres que garanticen que las fuerzas se transmiten
entre las propias piezas y los tornillos sólo se encarguen
de impedir que éstas se desmonten. Las aleaciones más
usadas son el 7075 conocida como Ergal y el 2024, con
peor resistencia a esfuerzos pero excelente a fatiga. Como
siempre, en este apartado, el titanio es la respuesta a los
rezos de los ingenieros. Los tornillos de titanio son la solución
a muchas aplicaciones complicadas. Pero ¡ojo! No se trata
de sustituir los tornillos de acero por los de titanio y ya está.
Para conseguir los efectos deseados, los tornillos se deben
pensar directamente en titanio. Las aleaciones de titanio
con mayores capacidades de carga rondan los 1500 MPa
(Ti-38644) pero el acero se mueve incluso en los 2800 MPa
(1 megapascal, MPa, equivale a 1 N/mm2). Probablemente
el tornillo siga siendo el único punto en el que el acero no
ha sido batido todavía, destacando en este sentido el acero
martensítico envejecido y el EN57 en inoxidables. Para
entornos a muy altas temperaturas se aplican superaleaciones
de niquel como el Inconel 718.
EL PROCESO INFLUYE
Ahora ya sabes la enorme cantidad de opciones que hay para
elegir. Pero por desgracia no todo depende del material que
elijas. El proceso de fabricación del tornillo en sí también es
vital. Aunque lo más intuitivo es tornear el tornillo, la realidad
es que este sistema no es la mejor opción. Los materiales
metálicos están hechos de granos. Al mecanizar, cortamos
esos granos, debilitando la estructura. Es como si cogiésemos
una madeja de hilo y la cortásemos para hacer una cuerda. Lo
que tendríamos sería un manojo de hilos despeluchados. Para
que el grano no se rompa y se alinee lo ideal es laminarlas.
Esto no es ni más ni menos que apretar dos útiles con las
huellas de la rosca ya dibujada y desplazarlos para grabar
la rosca en un cilindro liso. Siguiendo con el ejemplo de la
madeja de hilo, sería el equivalente a trenzarlo. Una trenza sin
cortes es mucho más fuerte.
AL APRETAR UN TORNILLO ÉSTE
RECIBE ENTRE UN 20 Y UN 30 % DE
LOS ESFUERZOS, YA QUE EL RESTO LO
ABSORBE LA FRICCIÓN ENTRE LAS PIEZAS
Destrás de este gesto que puede parecer simple se esconde un trabajo de
cálculo para elegir materiales, procesos de fabricación, acabado...
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TORNILLOS
1. El momento del apriete en
elementos tan delicados como
las tuercas de los ejes de las
ruedas es vital para evitar una
catástrofe.
1
El cuidado con el que se fabrican algunos tornillos llega
al punto de laminar exclusivamente el radio de unión entre
la cabeza y el cuello del tornillo para mejorar concretamente
esa zona que es la que más sufre. Pero ¿de qué otra manera
podemos reducir este estrés? Por supuesto recurriendo a
nuestros ya clásicos tratamientos Hi-Tech... Una vez más el
superfinish y el shot-peening que hemos mencionado en los
anteriores artículos se encargan de mejorar la calidad de vida
de estas piezas. Mejor acabado suele ser sinónimo de mayor
duración a fatiga.
El grado de refinamiento al que se llega en competición o
en la industria aeroespacial no deja nunca de sorprenderme.
Da igual cuánto leas, siempre vas un paso por detrás. Aunque
con esta serie intentamos abrir nuevos frentes para saciar
tu curiosidad, es sólo una gota en el océano. ¿Qué te parece
hacer las roscas con el paso ligeramente cambiado para elegir
cómo distribuir esfuerzos y suavizarlos? ¿O hacer roscas
asimétricas? Pues son algunos de los frentes en los que se
trabaja actualmente y, de hecho, ya son comerciales muchas
de estas aplicaciones. Otra opción son las series MJ, que son
similares a las métricas pero con radios de acuerdo mayores,
lo que contribuye a reducir fatiga.
APRIETE
Y ahora que ya lo hemos diseñado, que hemos elegido el
material, que le hemos dado un plus de ingeniería y un
acabado excelente, pues cogemos la llave inglesa y ¡a
correr! ¿No? Me temo que no. Más importante que todo lo
76 | LA MOTO
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2. De ahí que la llave
dinamométrica esté presente
en la bandeja de cualquier
mecánico que se precie de
hacer bien su trabajo.
anterior es el apriete que ejerce el operario, o tú, si llevas la
dinamométrica en la mano, a la hora de montarlo.
Como explicábamos al principio, el tornillo trabaja muy
bien si las piezas que une no se separan. Si esto ocurre en un
tornillo muy cargado, se romperá. Para eso aplicamos precarga
mediante par de apriete. El par de apriete es la forma en la
que solemos medir si hemos puesto bien un tornillo, pero
es más complicado de lo que parece. Cuando apretamos, lo
que queremos es que el tornillo se estire, pero nos olvidamos
de que al apretar las roscas rozan mucho y gran parte del
esfuerzo se dedicará a retorcer el tornillo en vez de tensarlo. Si
midiésemos (con ultrasonidos) cuánto se han estirado varios
tornillos apretados por el mismo mecánico con la misma
llave veríamos tensiones muy distintas. La lubricación de
las superficies, los materiales en contacto y otros factores
influyen muchísimo. Ni con el método de contar ángulo girado
desde el momento en que el tornillo bloquea, ni de ningún
otro método sencillo, podemos saber con precisión cuánto
apretamos. Quizá sólo los ultrasonidos sean la respuesta.
La conclusión a la que uno llega si piensa en tantos
factores es que no pasan más cosas porque Dios no quiere.
Probablemente a él también le guste el «mecaniqueo»... Para
terminar y entendiendo la enorme pasión que a partir de ahora
los tornillos despiertan en ti, te recomendaré algo que para
un ingeniero es la mejor arma: un catálogo. Busca catálogos
y descubrirás tornillos sorprendentes, sus aplicaciones,
recomendaciones etc. Recuerda que si no eliges bien, será
ésta la pieza que acabe fallando.