Guía para la Selección y el Uso Seguro de Pernos Métricos ISO para Mantenimiento

Imagine que un equipo de precisión de alto valor quede inoperable debido a la falla de un solo perno pequeño; las pérdidas resultantes podrían ser catastróficas. En el mantenimiento mecánico, los pernos y las tuercas pueden parecer insignificantes, pero son fundamentales para garantizar el funcionamiento seguro y estable de los equipos. Sin embargo, con la gran variedad de pernos y tuercas métricas disponibles, ¿cómo se pueden identificar, seleccionar correctamente y sujetar de forma segura? Esta guía proporciona instrucciones claras y prácticas para estas tareas.

En el montaje y mantenimiento de maquinaria moderna, los pernos y las tuercas juegan un papel vital. Son los componentes clave que conectan varias partes, asegurando la integridad estructural del equipo. A primera vista, todos los pernos métricos pueden parecer similares, pero en realidad, difieren significativamente en el tipo de rosca, el grado de resistencia y las especificaciones dimensionales. La selección o el uso incorrectos pueden provocar fallas en el equipo o incluso riesgos para la seguridad. Por lo tanto, una comprensión profunda de las características de los pernos y tuercas métricas, junto con las técnicas adecuadas de selección y sujeción, es esencial para el personal de mantenimiento mecánico.

Esta guía está diseñada para profesionales que trabajan en el mantenimiento de fábricas y mecánica, y proporciona conocimientos fundamentales sobre los pernos y tuercas métricas ISO para ayudarles a identificar y utilizar correctamente las piezas de repuesto, garantizando un funcionamiento seguro y fiable del equipo. Nos centraremos en los pernos y tuercas métricas más utilizados en entornos industriales y ofreceremos consejos prácticos para la identificación y la aplicación.

La norma ISO define múltiples tipos de roscas especializadas, pero en la mayoría de los equipos mecánicos, solo se utilizan comúnmente dos: paso estándar y paso fino. Otros tipos de roscas están reservados principalmente para dispositivos especializados como instrumentos de precisión o equipos ópticos.

El paso se refiere a la distancia entre roscas adyacentes, medida en milímetros. Las roscas de paso estándar son adecuadas para la mayoría de las conexiones de uso general, mientras que las roscas de paso fino se utilizan cuando se requiere una mayor fuerza de bloqueo o resistencia a la vibración.

La siguiente tabla enumera las combinaciones más comunes de diámetros y pasos de rosca en la maquinaria industrial:

Con la excepción de los pernos y tuercas de menor grado, todos los sujetadores métricos presentan marcas de identificación de resistencia. Estas marcas ayudan a determinar de forma rápida y precisa su capacidad de carga.

Las cabezas de los pernos suelen estar estampadas con dos números separados por un punto decimal. El rango completo incluye diez grados de 3.6 a 14.9, pero en entornos industriales, los grados comunes son 8.8, 9.8, 10.9 y 12.9. La cabeza del perno también incluye un código del fabricante (normalmente dos o tres letras).

El primer número indica la resistencia a la tracción del acero del perno, medida aproximadamente en 10 kg por milímetro cuadrado de área de sección transversal. Por ejemplo, un perno de grado 12.9 resistirá al menos 120 kg por milímetro cuadrado antes de romperse. De forma similar, un perno de grado 8.8 tiene una carga de rotura de 80 kg por milímetro cuadrado.

A medida que un perno soporta gradualmente una carga, se alarga ligeramente, como un resorte. Si se libera la carga, vuelve a su longitud original. Sin embargo, hay un límite más allá del cual el perno no se recuperará por completo y, en cambio, se estirará permanentemente; este es el límite elástico. El segundo número en la cabeza del perno representa el porcentaje de resistencia a la tracción que el perno puede soportar antes de que comience el estiramiento.

Por ejemplo, un perno de grado 12.9 comienza a estirarse cuando la carga alcanza el 90% de su carga de rotura. De forma similar, un perno de grado 9.8 comienza a estirarse al 80% de su carga de rotura.

Las marcas de resistencia en las tuercas suelen ser más difíciles de identificar que las de los pernos. Pueden aparecer como números o como patrones de puntos y líneas, donde la posición de la línea se asemeja a las manecillas del reloj que indican el grado.

El grado de la tuerca siempre debe coincidir o superar el grado del perno en un nivel. Por ejemplo, un perno de grado 8.8 debe combinarse con una tuerca de grado 8 o 9. Un perno de grado 12.9 debe combinarse con una tuerca de grado 12 o 14.

Como se mencionó anteriormente, cuando un perno soporta gradualmente una carga, alcanza un límite elástico (donde comienza el estiramiento permanente). Si la carga continúa aumentando, el perno alcanza su punto de rotura. Las normas definen una "carga de prueba", normalmente el 90% de la carga necesaria para estirar el perno.

En la práctica, los fabricantes suelen diseñar la maquinaria de modo que los pernos soporten cargas muy por debajo de la carga de prueba, lo que garantiza un factor de seguridad robusto.

Los pernos de paso fino suelen ser un 10% más resistentes que los pernos de paso estándar porque se elimina menos metal durante el roscado.

Los pares máximos recomendados en la tabla siguiente suponen roscas ligeramente lubricadas. Apretar un perno al par especificado debe ajustar la tensión del perno a aproximadamente el 85% de la carga de prueba, lo que equivale al 62% de la carga de rotura.

Utilice estos valores de par solo cuando el fabricante de la máquina no haya especificado un ajuste de par.

Los pernos y tuercas de paso fino suelen utilizarse solo en casos especiales, y la documentación de mantenimiento del fabricante debe especificar el par requerido para cada aplicación.

Las roscas de paso fino se utilizan a menudo cuando los pernos se atornillan en bloques de metal blando (por ejemplo, fundiciones de aluminio), donde las roscas del bloque pueden ser mucho más débiles que el perno y, por lo general, requieren un par más bajo para evitar el desprendimiento.

Muchos factores influyen en la resistencia de las piezas roscadas, incluidos los métodos de producción, el acabado de la superficie y la precisión de la forma de la rosca.

La resistencia de una conexión roscada depende de su componente más débil. Por ejemplo, si un perno de alta resistencia se atornilla en un material más blando y dúctil (por ejemplo, aleación de aluminio o acero con bajo contenido de carbono), la parte más blanda determina el par máximo seguro.

Más comúnmente, los pernos deben soportar no solo cargas de tracción del apriete, sino también cargas laterales o de "cizallamiento". Un ejemplo típico son dos placas atornilladas y sometidas a fuerzas que aplican cargas de cizallamiento al perno.

Si la carga aplicada es muy pequeña, la fricción entre las placas debido al apriete del perno puede evitar el movimiento. Sin embargo, a menos que se instalen pasadores de espiga para soportar la carga de cizallamiento, el perno eventualmente experimentará tanto tensión de cizallamiento como de tracción. La combinación de estas tensiones crea una tensión total mayor que cualquiera de ellas por sí sola, por lo que es posible que el pre-par del perno deba ser inferior a los valores máximos para adaptarse a la tensión adicional del cizallamiento.

Como guía, reducir el par de apriete en un 10% permite que el 35% de la clasificación de carga del perno maneje las fuerzas de cizallamiento sin sobrecargar.

Los ingenieros de diseño deben considerar todos estos factores y pueden especificar un par más bajo, especialmente en equipos de elevación que requieren altos márgenes de seguridad.

Consulte siempre la documentación de mantenimiento del fabricante de la máquina para conocer los valores de par especificados para los pernos y tuercas en aplicaciones de elevación y soporte de carga.

La siguiente tabla enumera los tamaños correctos de llaves y llaves Allen para los tamaños de pernos y tuercas más comunes en la maquinaria industrial.

Para minimizar el riesgo de deslizamiento de la llave y daños en los bordes de los sujetadores, utilice una llave de boca (o la boca de una llave combinada) siempre que sea posible.

Los pernos métricos se fabrican ligeramente más pequeños que su tamaño nominal; por ejemplo, un perno M16 suele tener un diámetro de vástago de 15,97 mm. Esto significa que un perno de 16 mm puede pasar a través de un orificio de 16 mm, pero para tener en cuenta la desalineación entre las piezas, los orificios de paso suelen perforarse ligeramente más grandes.

La siguiente tabla proporciona los tamaños típicos de los orificios de paso y los tamaños correctos de las brocas para machos de roscar para roscas estándar y de paso fino.

Para las roscas métricas, los tamaños de las brocas para machos de roscar se calculan fácilmente como el diámetro del perno menos el paso de la rosca. Por ejemplo, un perno M16 de paso estándar con un paso de 2,0 mm requiere un tamaño de broca para machos de roscar de 16 – 2 = 14 mm.

Al roscar orificios, especialmente para tamaños M10 e inferiores, retire con frecuencia el macho de roscar para limpiar las virutas de metal y evitar roturas.

Al apretar un perno en roscas o un conjunto de tuerca y perno para sujetar piezas, el par aplicado genera tensión de tracción en el vástago del perno.

La fuerza real en el perno depende de factores como la forma de la rosca, el paso, el acabado de la superficie y la lubricación. Para la mayoría de los casos estándar con pernos métricos ligeramente lubricados, la fuerza se puede aproximar como:

Fuerza = 5 × Par / Diámetro

Donde la fuerza está en newtons (N), el par en newton-metros (Nm) y el diámetro en metros (m). Por ejemplo, un perno M16 apretado a 247,5 Nm genera:

Fuerza = 5 × 247,5 Nm / 0,016 m = 77,344 N (77,3 kN)

Para convertir newtons a kilogramos-fuerza (kgf), divida por 9,81 (o 10 para estimaciones rápidas), lo que produce 7884 kgf de carga del perno.

Las roscas secas aumentan la fricción, lo que resulta en una fuerza menor.

Las uniones atornilladas suelen fallar de tres maneras: fallo por cizallamiento, fractura por tracción o desprendimiento de la rosca.

La fractura por tracción (rotura del perno) se produce por sobrecarga de la unión o apriete excesivo. Los pernos suelen fallar donde la rosca se encuentra con el vástago.

El fallo por cizallamiento se produce cuando las fuerzas laterales superan la capacidad del perno, a menudo exacerbado por el apriete excesivo, lo que no deja reserva de resistencia para las cargas de cizallamiento. Ambos tipos de fallo suelen producirse al principio o al final del ciclo de vida de un componente.

Un fallo de servicio frecuente implica que las cargas laterales levanten las tuercas de los pernos, lo que provoca fallos en cascada. La conicidad de la rosca conduce a la expansión de la tuerca, lo que reduce el engrane de la rosca hasta que el metal cede y las roscas se desprenden.