Una arandela puede tener el tamaño correcto y aun así ser inadecuada para una unión sometida a carga. Bajo la tuerca, debe resistir la indentación local. Bajo la arandela, la unión debe soportar la carga sin deformación permanente excesiva. Aumentar la dureza de la arandela aborda el primer contacto; su espesor y el material de apoyo siguen importando en el segundo.
Para una arandela normalizada de acero, empiece por la clase de dureza especificada para ese sistema de arandela y perno. Para una unión de aleación especial o específica según plano, seleccione el material y el estado de la arandela junto con su geometría de apoyo, carga y temperatura. No hay un único valor de dureza que haga adecuada cualquier arandela para un perno de A-286 o Inconel 718.
¿Qué significan 200 HV y 300 HV?
HV designa la dureza Vickers. En una designación de arandela, «200 HV» puede identificar una clase de dureza, no una instrucción de que cada ensayo deba dar exactamente 200. Por ejemplo, ISO 7089:2000 cubre arandelas planas de serie normal y grado de producto A. Sus clases de arandelas de acero tienen los siguientes intervalos y combinaciones previstas. [1]
Las combinaciones siguientes se aplican a pernos y tornillos hexagonales de grado de producto A/B y a las tuercas hexagonales correspondientes dentro de ISO 7089:2000. No establecen una combinación para fijaciones 12.9, A-286 o de aleación de níquel.
| Clase de dureza | Intervalo especificado | Combinación dentro del alcance de esta norma |
|---|---|---|
| 200 HV | 200–300 HV | Pernos/tornillos hasta clase 8.8; tuercas hasta clase 8. |
| 300 HV, templada y revenida | 300–370 HV | Pernos/tornillos hasta clase 10.9; tuercas hasta clase 10. |
Estos ejemplos son útiles cuando una descripción de compra solo dice «arandela plana M12». Distinguen arandelas que pueden parecer iguales pero tienen requisitos de aceptación distintos. La propia ISO 7089 exige comprobar la idoneidad al sujetar materiales blandos o utilizar agujeros de holgura grandes. Los requisitos de arandelas en pulgadas deben consultarse en la especificación en pulgadas aplicable, como el tipo de arandela pertinente de ASME B18.21.1, en lugar de trasladarlos desde esta tabla métrica. [1] [2]
Para la inspección de recepción, el informe necesita el intervalo especificado, la escala de ensayo y el método aplicable, incluidas la fuerza y la ubicación de ensayo requeridas. Una etiqueta del proveedor que diga «endurecida» deja esas cuestiones abiertas. La dureza, la identidad de la aleación y el tratamiento térmico son datos relacionados, pero ninguno sustituye completamente a los otros.
¿Por qué una arandela dura puede seguir dejando una indentación?
La cabeza del perno o la tuerca presiona un lado de la arandela; la unión que la soporta reacciona en el otro. La huella de contacto superior puede ser mucho menor que el diámetro exterior de la arandela. Cuando la carga atraviesa la arandela, su flexión y el apoyo alrededor del agujero influyen en dónde se concentra la presión.
| Cambio observado | Qué sugiere comprobar |
|---|---|
| Una depresión en la arandela bajo la cabeza o la tuerca | Dureza y estado de la arandela, huella real de cabeza/tuerca, sobrecarga local y geometría de asiento. |
| La arandela se dobla o adquiere forma cóncava alrededor del agujero | Espesor, tramo sin apoyo, tamaño del agujero, forma del asiento y carga, además del material de la arandela. |
| El componente de apoyo se indenta bajo una arandela aparentemente intacta | Material y estado del apoyo, área efectiva de apoyo, presión de contacto y temperatura de servicio. |
Morozumi y sus colaboradores examinaron esta geometría en un estudio elastoplástico por elementos finitos de uniones M10 con arandelas de acero al carbono tratadas térmicamente y apoyos de acero dulce. Su modelo comparó espesores de arandela de 2, 4 y 6 mm y dos combinaciones de agujero/arandela. Las arandelas más gruesas redujeron la deformación permanente en las configuraciones estudiadas; un agujero de apoyo más pequeño también la redujo pese a una presión media nominal igual. Esto explica por qué cambiar solo la dureza puede no abordar la causa. Esas dimensiones del modelo no son espesores recomendados para otras uniones. [3]
La holgura del radio de acuerdo es otro detalle fácil de pasar por alto. Si el agujero de la arandela tropieza con el radio bajo la cabeza del perno, puede que nunca se forme el asiento plano previsto. NASA-STD-5020B trata esta holgura en la sección 4.7.3. Es una comprobación geométrica útil junto con el plano de la arandela. [4]
Qué puede decirle un cálculo de presión
Cálculo hipotético. Una fuerza de 20 000 N distribuida uniformemente sobre un anillo plano totalmente apoyado, con diámetro exterior de 24 mm y agujero de 13 mm, da:
A = π/4 × (24² − 13²) = 319.7 mm²
Presión media = 20 000 / 319.7 = 62.6 MPa
Es una primera descripción útil de la carga y del área supuesta. No es la presión máxima en el borde del agujero ni una predicción de indentación. Una arandela delgada puede doblarse; parte de su cara puede perder contacto. El estudio de JSME muestra por qué dos disposiciones con la misma presión media nominal pueden deformarse de manera distinta. Un diámetro exterior mayor solo ayuda cuando la arandela puede transferir carga a esa área adicional apoyada. [3]
No compare directamente 62.6 MPa con una designación de clase 200 HV y trate el resultado como comprobación de aceptación. La dureza Vickers caracteriza la resistencia a una indentación de ensayo. La arandela y la unión siguen necesitando una evaluación de contacto/deformación con su geometría real, respuesta del material y carga.
Cómo puede la indentación reducir la fuerza de apriete
El apriete estira el perno y comprime la unión. Si una superficie de apoyo adquiere después una deformación permanente, la distancia sostenida por el perno estirado disminuye y se libera parte de ese alargamiento. La fuerza de apriete puede caer sin que gire la tuerca. Parte del asentamiento inicial se compensa a medida que el apriete avanza hacia el ajuste final. La deformación que continúa después libera alargamiento del perno sin ese apriete adicional y reduce la fuerza de apriete retenida.
A temperatura elevada, el componente de apoyo puede seguir deformándose con el tiempo. Jaglinski y sus colaboradores midieron pérdida de carga en pernos de acero de uniones de motor de aluminio fundido a presión a 220–260°C. Sus experimentos y modelos muestran la importancia del material de la unión, el historial de temperatura y la carga previa. No compararon clases de dureza de arandelas; la conclusión pertinente es que una arandela dura por sí sola no puede impedir la deformación dependiente del tiempo en otras partes de una unión caliente. [5]
Una marca visible no indica cuánta carga se perdió. Localice la superficie modificada, conserve las piezas y los registros de carga/apriete y evalúe si la deformación sigue avanzando. Restaurar simplemente el par anterior puede producir una tracción distinta cuando han cambiado la fricción o el asiento. La guía de precarga y fluencia explica el problema más amplio de retención de carga.
Qué incluir en la consulta de arandelas
Para una arandela plana normalizada, indique la norma y edición, el tamaño, el material, la clase de dureza y el acabado. Para una arandela específica según plano, incluya el agujero, el diámetro exterior, el espesor y las tolerancias, la planitud y cualquier chaflán. Añada el intervalo de dureza y los requisitos de inspección en lugar de basarse en «endurecida».
Al seleccionar un repuesto o una arandela para un perno de aleación especial, envíe el detalle de apoyo de cabeza/tuerca, el material de apoyo, las dimensiones del agujero, el requisito de fuerza de apriete o de apriete aprobado y la temperatura de servicio. Estos detalles permiten que la selección aborde la superficie que realmente necesita protección.