Tabla de pesos de tornillos y grados de resistencia: Todo lo que necesita saber

El peso teórico de los tornillos, incluidos los que llevan tuercas y los que no, puede calcularse mediante un enfoque segmentado.

Tabla de pesos teóricos de los pernos

Cómo determinar los grados de resistencia de los tornillos

Los pernos ordinarios se dividen en Grado A, Grado B (pernos refinados) y Grado C (pernos brutos).

Los tornillos de grado A y B utilizan acero de grado 5,6 y 8,8, mientras que los tornillos de grado C utilizan acero de grado 4,6 y 4,8. Los tornillos de alta resistencia se fabrican con acero de grado 8.8 y 10.9. En el Grado 10.9, por ejemplo, 10 indica el límite de resistencia a la tracción del material de acero es fu=1000N/mm², y 0,9 indica que el límite elástico del material de acero es fy=0,9fu. Otros modelos siguen esta convención. Los pernos de anclaje utilizan Q235 o acero Q345.

Los pernos de grado A y B (pernos refinados) se fabrican a partir de palanquillas laminadas. La superficie del vástago del perno es lisa, las dimensiones son exactas y los orificios del perno se taladran con una matriz o se perforan primero en piezas individuales con un orificio más pequeño y luego se vuelven a taladrar hasta el diámetro diseñado en componentes ensamblados (conocidos como orificios de clase I). El espacio entre el diámetro del perno y el agujero es muy pequeño, de sólo 0,3 mm, lo que requiere un martilleo suave durante la instalación para obtener resistencia al cizallamiento y a la tracción.

Sin embargo, la fabricación e instalación de pernos de grado A y B (pernos refinados) requieren mucha mano de obra y son caros. En las estructuras de acero, solo se utilizan en nudos de instalación importantes o en uniones atornilladas que soportan tanto cargas de cizalladura como de tracción procedentes de fuerzas dinámicas.

Los tornillos de grado C (tornillos rugosos) se fabrican prensando acero redondo. Su superficie es más rugosa y sus dimensiones menos precisas. Los orificios de los pernos se perforan de una sola vez o sin matriz (orificios de clase II), y el diámetro del orificio es 1-2 mm mayor que el diámetro del perno. Esto provoca una importante deformación por cizallamiento bajo fuerzas de cizallamiento, y los pernos individuales pueden entrar en contacto con la pared del orificio y sufrir fuerzas internas excesivas que provoquen un fallo prematuro.

Debido a la sencillez y el menor coste de fabricación de los pernos de grado C (pernos en bruto), se utilizan habitualmente en diversos proyectos de estructuras de acero, especialmente indicados para conexiones que soportan fuerzas de tracción a lo largo del eje del perno, conexiones desmontables y componentes de fijación temporal.

En conexiones con fuerzas de cizallamiento significativas, se utilizan soportes u otras medidas estructurales para soportar las fuerzas de cizallamiento, lo que permite al tornillo utilizar sus ventajas de resistencia a la tracción.

Los pernos de grado C también pueden utilizarse en conexiones secundarias sometidas a cargas estáticas o dinámicas indirectas como conexiones a cortante.

Pernos de acero inoxidable de alta resistencia

Los pernos de acero inoxidable de alta resistencia poseen una gran solidez y resistencia a la corrosión por aire, vapor, agua y otros medios corrosivos débiles, así como ácidos, álcalis y sales. No sufren corrosión, picaduras, oxidación ni desgaste.

El acero inoxidable es también uno de los materiales más resistentes utilizados en la construcción. Gracias a su excelente resistencia a la corrosión, garantiza la integridad permanente de los componentes estructurales en el diseño de ingeniería.

Estructura de acero perno de conexión Los grados de rendimiento se dividen en más de diez grados: 3,6, 4,6, 4,8, 5,6, 6,8, 8,8, 9,8, 10,9, 12,9.

Los pernos de grado 8.8 y superiores están fabricados con bajo contenido en carbono. acero aleado o de carbono medio y se someten a un tratamiento térmico (temple, revenido), comúnmente conocidos como tornillos de alta resistencia, mientras que el resto se conocen como tornillos ordinarios.

Las marcas de grado de rendimiento de los tornillos constan de dos números, que indican la resistencia nominal a la tracción y el coeficiente de límite elástico del material del tornillo.

Los pernos de alta resistencia están hechos de acero de alta resistencia, o pernos que requieren una fuerza de pretensado significativa. Se utilizan mucho en puentes, ferrocarriles y conexiones de equipos de alta y ultra alta presión. Estos pernos suelen fallar por rotura frágil.

Los pernos de alta resistencia utilizados en equipos de ultra alta presión necesitan aplicar una tensión previa significativa para garantizar el sellado del recipiente.

Algunos conceptos sobre los tornillos de alta resistencia: 1. Los tornillos con grados de rendimiento superiores a 8,8 se conocen como tornillos de alta resistencia. La norma nacional actual sólo recoge hasta M39, y para tamaños mayores, especialmente longitudes superiores a 10~15% veces el diámetro, la producción nacional sigue siendo limitada.

Diferencia entre pernos de alta resistencia y pernos ordinarios

Los tornillos de alta resistencia se diferencian de los tornillos normales en que pueden soportar cargas mayores que los tornillos estándar de la misma especificación. Los tornillos normales se fabrican con acero Q235 (A3). Los pernos de alta resistencia se fabrican con acero 35# u otros materiales de alta calidad y se someten a un tratamiento térmico para aumentar su resistencia. La principal diferencia radica en la resistencia del material.

Desde el punto de vista de la materia prima, los pernos de alta resistencia se fabrican con materiales de alta resistencia. El tornillo, la tuerca y la arandela de un perno de alta resistencia se fabrican con acero de alta resistencia, que suele ser acero 45#, acero al boro 40, acero al manganeso 20 y acero al carbono 20. titanio acero al boro, 35CrMoA, etc. Los tornillos ordinarios suelen ser de acero Q235 (equivalente al antiguo A3).

En cuanto al grado de resistencia, los tornillos de alta resistencia, cada vez más utilizados, suelen tener grados de 8,8 y 10,9, siendo el 10,9 el más común. Los pernos ordinarios tienen grados de resistencia más bajos, generalmente de 4,4, 4,8, 5,6 y 8,8.

En cuanto a las características de soporte de fuerzas, los pernos de alta resistencia aplican pretensión y transmiten fuerzas externas mediante fricción. Las uniones atornilladas ordinarias dependen de la resistencia al cizallamiento del vástago del tornillo y de la presión de la pared del orificio para transmitir las fuerzas de cizallamiento. La pretensión generada al apretar la tuerca es mínima y puede considerarse despreciable.

En cambio, los pernos de alta resistencia, aparte de su gran resistencia material, se aplican con una pretensión significativa, lo que crea una fuerza de compresión entre los componentes conectados. Esto produce una fricción considerable perpendicular al eje del tornillo. La pretensión, el coeficiente de resistencia al deslizamiento y tipo de acero material afectan directamente a la capacidad de carga de los pernos de alta resistencia.

En función de las características de la fuerza que soportan, se dividen en tipo cojinete y tipo fricción. Ambos tipos tienen diferentes métodos de cálculo. La norma más pequeña para los pernos de alta resistencia es M12, los tamaños más utilizados van de M16 a M30, y el rendimiento de los pernos supergrandes es inestable, lo que requiere una cuidadosa consideración en el diseño.

Diferencia entre conexiones de tipo fricción y de tipo cojinete en pernos de alta resistencia:

Las uniones atornilladas de alta resistencia sujetan firmemente las placas conectadas mediante una fuerza de pretensado significativa dentro del eje del tornillo, generando una fricción sustancial, mejorando así la integridad y rigidez globales de la unión. Cuando se someten a fuerzas de cizallamiento, pueden dividirse en uniones atornilladas de alta resistencia de tipo fricción y de tipo cojinete, que difieren fundamentalmente en sus estados límite.

Aunque se trata del mismo tipo de perno, sus métodos de cálculo, requisitos y ámbitos de aplicación varían significativamente. En el diseño resistente al cizallamiento, el estado límite para las uniones atornilladas de alta resistencia de tipo fricción es la fuerza de fricción máxima posible proporcionada por la fuerza de apriete de los tornillos entre las superficies de contacto de las placas, garantizando que la fuerza de cizallamiento externa no supere esta fuerza de fricción máxima durante todo el periodo de servicio.

Las placas no sufren deformación por deslizamiento relativo (manteniendo la separación original entre el eje del perno y el orificio), y las placas conectadas están sujetas a fuerzas elásticas en su conjunto. En las uniones atornilladas de alta resistencia de tipo cojinete, la fuerza de cizallamiento externa puede superar la fuerza de fricción máxima, lo que provoca una deformación por deslizamiento relativo entre las placas conectadas hasta que el vástago del tornillo entra en contacto con la pared del orificio.

Posteriormente, la conexión transfiere fuerzas a través del cizallamiento del vástago del perno, la presión sobre la pared del orificio y la fricción entre las superficies de las placas, siendo el fallo por cizallamiento último de la conexión el cizallamiento del vástago del perno o la presión sobre la pared del orificio.

En resumen, los pernos de alta resistencia de tipo fricción y de tipo cojinete son esencialmente los mismos pernos, y sólo difieren en si se tiene en cuenta el deslizamiento en el diseño. Los pernos de alta resistencia de tipo fricción no deben deslizarse; no soportan fuerzas de cizallamiento, y cualquier deslizamiento se considera un fallo en el diseño, un enfoque técnicamente maduro. Los pernos de alta resistencia de tipo rodamiento pueden resbalar y también soportar fuerzas de cizallamiento, con un fallo final similar al de los pernos ordinarios (cizallamiento del perno o compresión del tornillo). chapa de acero).

En términos de uso: Para las uniones atornilladas de los principales componentes estructurales de los edificios se suelen utilizar tornillos de alta resistencia. Los pernos ordinarios pueden reutilizarse, mientras que los de alta resistencia no, y suelen emplearse para conexiones permanentes.

Los tornillos de alta resistencia son tornillos pretensados. En las aplicaciones de tipo fricción, se aplica una pre-tensión especificada utilizando una llave dinamométrica, mientras que en las aplicaciones de tipo rodamiento, se cizalla el estriado. Los pernos ordinarios, con menor resistencia al cizallamiento, pueden utilizarse en zonas estructurales menos críticas y sólo es necesario apretarlos. Los pernos ordinarios suelen ser de los grados 4.4, 4.8, 5.6 y 8.8. Los tornillos de alta resistencia suelen ser de los grados 8.8 y 10.9, siendo el 10.9 el más frecuente.

Los grados 8.8 y 8.8S son equivalentes. El rendimiento y los métodos de cálculo de los pernos ordinarios difieren de los de los pernos de alta resistencia. Los pernos de alta resistencia soportan la fuerza principalmente a través de la fuerza de pretensado interno P, creando resistencia por fricción en las superficies de contacto de los componentes conectados para soportar cargas externas, mientras que los pernos ordinarios soportan directamente cargas externas.

Más concretamente: Las uniones atornilladas de alta resistencia ofrecen ventajas como la sencillez de construcción, el buen rendimiento de la fuerza soportada, la posibilidad de sustitución, la resistencia a la fatiga y la resistencia al aflojamiento bajo cargas dinámicas, lo que las convierte en un método de conexión prometedor.

Los pernos de alta resistencia se aprietan con una llave especial, generando una gran pretensión controlada. Esta pretensión, transmitida a través de la tuerca y la arandela, crea una fuerza de precompresión equivalente en los componentes conectados. Bajo esta fuerza de precompresión, se genera una fricción significativa a lo largo de las superficies de los componentes conectados.

Mientras la fuerza axial sea inferior a esta fuerza de fricción, los componentes no resbalarán y la unión permanecerá intacta. Este es el principio en el que se basan las uniones atornilladas de alta resistencia.

Las uniones atornilladas de alta resistencia dependen de la fricción entre las superficies de contacto de los componentes conectados para evitar el deslizamiento. Para garantizar una fricción suficiente, es necesario aumentar la sujeción fuerza entre los componentes y aumentar el coeficiente de fricción de las superficies de contacto.

La fuerza de apriete entre los componentes se consigue aplicando pretensión a los pernos, lo que hace necesario utilizar acero de alta resistencia para los pernos, de ahí el término "uniones atornilladas de alta resistencia."

En las uniones atornilladas de alta resistencia, el coeficiente de fricción influye significativamente en la capacidad de carga. Los experimentos demuestran que el coeficiente de fricción se ve afectado principalmente por la naturaleza de las superficies de contacto y el material de los componentes.

Para aumentar el coeficiente de fricción de las superficies de contacto, la construcción suele implicar métodos como el chorro de arena o el cepillado con alambre para tratar las superficies de contacto dentro de la zona de conexión.

En realidad, existen dos tipos de tornillos de alta resistencia: los de fricción y los de apoyo. El criterio de diseño para los pernos de alta resistencia de tipo fricción es que la fuerza de cizallamiento inducida por la carga de diseño no supere la fuerza de fricción. En el caso de los pernos de alta resistencia con cojinetes, el criterio es que el eje del perno no sufra cizallamiento o que las placas no se aplasten.

Resistencia a la corrosión de los pernos de acero inoxidable de alta resistencia

Los pernos de acero inoxidable de alta resistencia son conocidos por sus características de resistencia a la corrosión.

Todos los metales reaccionan con el oxígeno de la atmósfera, formando una película de óxido en su superficie. Por desgracia, el óxido de hierro que se forma en el acero al carbono ordinario sigue oxidándose, lo que provoca que el óxido se expanda y acabe creando agujeros. Las superficies de acero al carbono pueden protegerse con pintura o metales resistentes a la oxidación (como el zinc, el níquel y el cromo) mediante galvanoplastia. Sin embargo, como es sabido, esta capa protectora es sólo una fina película. Si la capa protectora se daña, el acero subyacente empieza a oxidarse.

La resistencia a la corrosión del acero inoxidable depende del cromo. Sin embargo, como el cromo es un componente del acero, el método de protección es diferente. Cuando el contenido de cromo supera los 11,7%, la resistencia del acero a la corrosión atmosférica aumenta considerablemente.

Aunque un mayor contenido de cromo puede mejorar la resistencia a la corrosión, el efecto es menos pronunciado. Esto se debe a que la aleación del acero con cromo cambia el tipo de óxido superficial, similar al óxido que se forma en el metal de cromo puro. Este óxido rico en cromo, fuertemente adherido, protege la superficie de una mayor oxidación. Esta capa de óxido es extremadamente fina, lo que permite que brille el lustre natural del acero, dándole al acero inoxidable su aspecto distintivo.

Además, si se daña la capa superficial, la superficie de acero expuesta reaccionará con la atmósfera para autorrepararse, reformando esta película de óxido "pasiva" y continuando su función protectora. Por tanto, todos los aceros inoxidables elementos de acero comparten una característica común: su contenido en cromo es superior a 10,5%.

Significado de los grados de rendimiento de tornillos y pernos

Los grados de rendimiento de tornillos y pernos para conexiones de estructuras de acero se dividen en más de diez niveles, incluyendo 3,6, 4,6, 4,8, 5,6, 6,8, 8,8, 9,8, 10,9, 12,9.

Los pernos de grado 8.8 y superior se fabrican con acero aleado con bajo contenido en carbono o acero con contenido medio en carbono y se someten a un tratamiento térmico (temple y revenido), comúnmente conocidos como tornillos de alta resistencia. El resto suelen denominarse tornillos ordinarios.

El grado de rendimiento de un tornillo se denota mediante dos números, que indican la resistencia nominal a la tracción y el coeficiente de límite elástico del material del tornillo. Por ejemplo:

Para un perno de grado 4.6:

1. La resistencia nominal a la tracción del material del perno es de 400 MPa;
2. El límite elástico del material del tornillo es de 0,6;
3. El límite elástico nominal del material del tornillo es 400 × 0,6 = 240 MPa.

Para un perno de alta resistencia de grado 10.9, después del tratamiento térmico, puede alcanzar:

1. Una resistencia nominal a la tracción de 1000 MPa;
2. Un coeficiente de límite elástico de 0,9;
3. Un límite elástico nominal de 1000 × 0,9 = 900 MPa.

La importancia del grado de rendimiento del tornillo es un criterio normalizado internacionalmente. Los pernos del mismo grado de rendimiento, independientemente de su material y origen, tienen el mismo rendimiento, y en el diseño, es suficiente seleccionar basándose únicamente en el grado de rendimiento.

Los grados de resistencia, como 8,8 y 10,9, se refieren a la resistencia del tornillo al esfuerzo cortante, medido a 8,8 GPa y 10,9 GPa, respectivamente.

• El grado 8.8 tiene una resistencia nominal a la tracción de 800 N/mm² y un límite elástico nominal de 640 N/mm².
• Generalmente, los tornillos se denotan por "X.Y", donde X100 equivale a la resistencia a la tracción del tornillo en MPa, y X100*(Y/10) es igual al límite elástico del tornillo (ya que por designación: límite elástico/resistencia a la tracción = Y/10).

Por ejemplo, un tornillo de grado 4.8:

• Tiene una resistencia a la tracción de 400 MPa;
• Y un límite elástico de 400*8/10 = 320 MPa.

Además, los tornillos de acero inoxidable suelen marcarse como A4-70, A2-70, etc., con un significado diferente.

En cuanto a las unidades de medida: El mundo utiliza principalmente dos sistemas para medir la longitud. Uno es el sistema métrico, que utiliza metros (m), centímetros (cm), milímetros (mm), etc., ampliamente utilizado en Europa, China, Japón y otras regiones del sudeste asiático. El otro es el sistema imperial, que utiliza pulgadas (inch), equivalente a la antigua pulgada del mercado chino, predominantemente utilizado en Estados Unidos, Reino Unido y otros países occidentales.

• Sistema de medida métrico: (Sistema decimal) 1 metro = 100 centímetros = 1000 milímetros
• Medida imperial: (sistema octal) 1 pulgada = 8 fracciones de pulgada; 1 pulgada = 25,4 mm; 3/8 de pulgada × 25,4 = 9,52 mm.
• Para los productos de menos de 1/4 de pulgada, los tamaños se indican mediante números de calibre, como: #4, #5, #6, #7, #8, #10, #12.

Tipos de rosca y características

Tipos de roscas

Los hilos son una forma de estructura helicoidal que se encuentra en la superficie externa o interna de un sólido, caracterizada por una cresta helicoidal uniforme. En función de sus características estructurales y aplicaciones, se clasifican en tres tipos principales:

1. Hilos ordinarios: Tienen forma de diente triangular y se utilizan para unir o fijar componentes. Las roscas ordinarias se dividen en roscas gruesas y roscas finas, siendo las roscas finas las que ofrecen una mayor resistencia de conexión.
2. Hilos de transmisión: Estas roscas tienen varias formas de dientes, incluyendo trapezoidal, rectangular, diente de sierra y triangular.
3. Roscas de sellado: Utilizadas para sellar conexiones, los tipos principales incluyen roscas de tubo, roscas cónicas y roscas de tubo cónicas.

Grados de ajuste de la rosca

El grado de ajuste de las roscas se refiere a la holgura o rigidez con la que se acoplan entre sí. El grado de ajuste viene determinado por la combinación de desviaciones y tolerancias aplicadas a las roscas internas y externas.

(1) Norma de rosca unificada:

Las roscas exteriores tienen tres grados: 1A, 2A y 3A. Las roscas internas tienen tres grados: 1B, 2B y 3B. Todos ellos son ajustes de holgura, y los números de grado más altos indican ajustes más apretados.

En las roscas unificadas, las desviaciones sólo se especifican para los grados 1A y 2A. El grado 3A tiene desviación cero, y las desviaciones de los grados 1A y 2A son iguales. Cuanto mayor sea el número de grado, menor será la tolerancia.

• Los grados 1A y 1B representan niveles de tolerancia muy laxos, adecuados para ajustes de holgura en roscas internas y externas.
• Los grados 2A y 2B son los niveles de tolerancia de roscas más utilizados para fijaciones mecánicas en la serie Unificada.
• Los grados 3A y 3B proporcionan el ajuste más apretado, adecuado para fijaciones con tolerancias estrechas utilizadas en diseños de seguridad críticos.
• Para las roscas exteriores, las calidades 1A y 2A tienen una tolerancia de ajuste, mientras que la 3A no. La tolerancia de 1A es 50% mayor que la de 2A y 75% mayor que la de 3A. Para roscas internas, la tolerancia de 2B es 30% mayor que la de 2A, la de 1B es 50% mayor que la de 2B y la de 75% mayor que la de 3B.

(2) Roscas métricas:

Las roscas exteriores tienen tres grados: 4h, 6h y 6g. Las roscas internas tienen tres grados: 5H, 6H y 7H. (Los grados de precisión de las roscas estándar japonesas se dividen en niveles I, II y III, siendo el II el más común). En las roscas métricas, la desviación básica para H y h es cero. La desviación básica para G es positiva, y para e, f y g, es negativa.

• H es la posición de tolerancia comúnmente utilizada para roscas internas, normalmente utilizada sin revestimiento superficial o con una capa de fosfatado extremadamente fina. La desviación básica de G es para ocasiones especiales, como un chapado más grueso, y se utiliza raramente.
• g se utiliza a menudo para revestimientos finos de 6-9um. Por ejemplo, si el plano de un producto especifica un perno de 6h, la rosca previa al revestimiento utilizaría una banda de tolerancia de 6g.
• Los mejores ajustes de rosca suelen ser combinaciones de H/g, H/h o G/h. Para elementos de fijación de precisión, como tornillos y tuercas, se recomienda normalmente un ajuste 6H/6g.

(3) Marcado de roscas

• Principales parámetros geométricos de las roscas autorroscantes y autoperforantes:
• Diámetro mayor/diámetro exterior (d1): Diámetro de un cilindro imaginario en el que coinciden las crestas de las roscas. Representa esencialmente el diámetro nominal de la rosca.
• Diámetro menor/diámetro de la raíz (d2): Diámetro de un cilindro imaginario en el que coinciden las raíces de los hilos.
• Paso (p): Distancia axial entre los puntos correspondientes de roscas adyacentes a lo largo de la línea de paso. En el sistema imperial, se indica mediante el número de roscas por pulgada (25,4 mm).

A continuación se indican las especificaciones habituales para el paso (métrico) y el número de roscas (imperial):

• Roscas métricas autorroscantes:

Especificaciones: ST 1.5, ST 1.9, ST 2.2, ST 2.6, ST 2.9, ST 3.3, ST 3.5, ST 3.9, ST 4.2, ST 4.8, ST 5.5, ST 6.3, ST 8.0, ST 9.5

Lanzamientos: 0.5, 0.6, 0.8, 0.9, 1.1, 1.3, 1.3, 1.3, 1.4, 1.6, 1.8, 1.8, 2.1, 2.1

• Roscas imperiales autorroscantes:

Especificaciones: #4, #5, #6, #7, #8, #10, #12, #14

Número de hilos: Hilo AB 24, 20, 20, 19, 18, 16, 14, 14; Hilo A 24, 20, 18, 16, 15, 12, 11, 10