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Ajuste de los conjuntos mecánicos |
En los orígenes de la fabricación, los productos se realizaban fundamentalmente de forma manual y artesana, pero es con la llegada de la revolución industrial, a finales del siglo XVIII y principios del XIX, y la invención de maquinarias cada vez más complejas y precisas, cuando se hace imprescindible que las piezas por las que están formadas tengan una precisión en sus dimensiones, para evitar así problemas de ajuste durante los procesos de montaje y el funcionamiento de las mismas.
Gran parte del desarrollo en la fabricación industrial de elementos mecánicos ha sido posible gracias a la intercambiabilidad de los componentes y al establecimiento de ciertas tolerancias en la fabricación de piezas de máquinas.
Resulta por tanto muy importante para un profesional dedicado al montaje y puesta en marcha de bienes de equipo y maquinaria industrial el conocimiento de los principios de ajuste y las técnicas metrologías más utilizadas para la medición afinada de elementos mecánicos.
Cuando se solicita la fabricación de una determinada pieza esta debe tener unas dimensiones previamente fijadas. Pero como la perfección dimensional no es posible alcanzarla, la pieza tendrá una variación en las dimensiones solicitadas, ya sea por exceso o por defecto. Dependiendo de la magnitud de las variaciones y el uso al que se destina esta pieza será considerada válida o defectuosa.
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Sabía que... |
Los objetos presentan variaciones de longitud cuando cambia la temperatura, dilatándose cuando aumenta esta y contrayéndose cuando disminuye. Estas variaciones pueden introducir errores en la medida.
Este hecho se acentúa cuando las piezas que se fabrican tienen que encajar en un conjunto mecánico, por lo que se deben establecer unas tolerancias en la fabricación con el fin de evitar problemas en el proceso de montaje y funcionamiento de la maquinaria. Para entender el ajuste en los conjuntos mecánicos resulta imprescindible conocer el vocabulario usado en esta área, con lo que será más fácil interpretar y realizar montajes de precisión. Entre este vocabulario destacan los siguientes conceptos:
Dimensión nominal (Dimnomnom): es la medida teórica de una parte de la pieza que se desea obtener.
Dimensión máxima (Dimmáxnom): es la medida máxima permitida para no rechazar la pieza.
Dimensión mínima (Dimminnom): es la medida mínima que se acepta para una determinada parte de la pieza.
Tolerancia (t): es la diferencia entre la medida máxima y mínima permitida.
Medida real: es la medida obtenida por medio de la medición real de la pieza terminada. Para medidas que requieren gran precisión se debe realizar a una temperatura estándar de 20º C, según las normas internacionales.
En la imagen siguiente se pueden observar de forma gráfica los conceptos anteriormente desarrollados, tanto para un agujero representado en azul, como para un eje en tono rosáceo.
3. Representación de la tolerancia
Se entiende por representación de la tolerancia las distintas formas de expresar o indicar el valor de la tolerancia para una pieza o un determinado grupo de piezas.
Las tolerancias se pueden encontrar representadas en los planos de montaje o de fabricación de diversas formas, entre las que destacan:
Definición por medio de las dimensiones máximas y mínimas. La tolerancia en la medida de una pieza se puede indicar señalando en la cota dimensional tanto la dimensión máxima permitida como la mínima. La diferencia entre ambas es el valor de la tolerancia.
Definición de tolerancia por dimensión máxima y mínima
Definición por medio de la medida nominal, acompañada de su desviación máxima y mínima. En este caso, en la cota aparece la dimensión nominal acompañada de un superíndice que indica la desviación máxima y un subíndice que indica la desviación mínima.
Definición por medio de la notación estandarizada ISO. En este tipo de notación, la tolerancia se define por un número, que indica la medida nominal, seguido de una letra (mayúscula para agujeros, minúscula para ejes), que representa la posición de la tolerancia, y otro número para indicar la calidad o el tamaño de la tolerancia, expresado en micras (milésimas de milímetro).
Ejemplo de tolerancia ISO para eje: 40 g6
Ejemplo de tolerancia ISO para agujero: 30 F8
Posición de la tolerancia. Se indica por medio de letras mayúsculas en el caso de los agujeros y minúsculas para los ejes. Para la letra ‘H‘ en agujeros y ‘h’ para ejes, la posición de la tolerancia coincide con la línea cero y por tanto no tiene desviación con la medida nominal.
Para valores entre la ‘A’ y la ‘H’ en el caso de agujeros la posición de la tolerancia está por encima de la línea cero y entre la ‘H’ y la ‘Z’ está por debajo de la dimensión nominal.
En el caso de ejes sucede al contrario, entre la ‘a’ y la ‘h’ la posición de la tolerancia está por debajo de la línea cero y entre la ‘h’ y la ‘z’ está por arriba de la dimensión nominal.
La equivalencia entre la letra y la posición de la tolerancia aparece representada en distintas tablas de las normas de ajuste ISO, tal y como se puede observar en la tabla que se adjunta a modo de ejemplo.
Calidad de la tolerancia. Indica el valor de la tolerancia y está dividido en una escala numérica IT que varía dependiendo del grado de precisión dimensional que se quiere conseguir, así para:
Ultraprecisión: IT-> 01, 0.
Piezas de gran precisión: IT-> 1, 2, 3.
Piezas pertenecientes a conjuntos que deben encajar:
IT-> 4, 5, 6, 7, 8, 9,10, 11.
Piezas que no requieren ajuste:
IT-> 12, 13, 14, 15, 16.
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Nota |
Una micra es una milésima parte de un milímetro o lo que es lo mismo 0,001 mm.
En la tabla que se adjunta se pueden observar los valores de tolerancia para cada IT en función de la dimensión nominal. Cabe destacar que la tolerancia, expresada en micras, va aumentando para valores de IT cada vez más altos, por lo que las piezas fabricadas, tienen unas exigencias menores en la fabricación.
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Recuerde |
En la notación estandarizada ISO la tolerancia se define por un número, que indica la medida nominal, seguido de una letra, mayúscula para agujeros y minúscula para ejes, que representa la posición de la tolerancia, y otro número para indicar la calidad o el tamaño de la tolerancia.
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Aplicación práctica |
Defina por medio de la dimensión nominal acompañada de la desviación máxima y mínima la siguiente medida expresada en el sistema ISO: 60 D3.
SOLUCIÓN
El valor 60 corresponde con la dimensión nominal de 60 mm.
La letra ‘D’ por ser mayúscula indica que se trata de un agujero y consultando la tabla de la página 11 obtenemos que la diferencia inferior es 100 micras (0,1 mm) hacia arriba.
La calidad de la tolerancia es 3, por tanto consultando la tabla de la página 12 para una IT3 y en la fila correspondiente a una dimensión de 60 (50<d<=80) obtenemos una tolerancia de 5 micras (0,005 mm). <d<=80) obtenemos una tolerancia de 5 micras (0,005 mm).
Por tanto, el diámetro máximo del agujero será de:
DM = 60 + 0,100 + 0,005 = 60,105
Por su parte el diámetro mínimo toma un valor de:
Dm = 60 + 0,100 = 60,100
Por tanto, el agujero también se puede definir como: 60 +0,105 , donde se puede observar que la tolerancia, dimensión máxima menos dimensión mínima, es efectivamente de 5 micras.
El ajuste mecánico está íntimamente relacionado con la tolerancia de fabricación en las dimensiones de dos piezas que han de acoplarse. El ajuste se realiza entre una pieza macho y otra hembra que tiene que encajar, por ejemplo, un eje y un agujero.
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Importante |
El ajuste entre dos piezas puede ser con holgura o juego, con apriete o de sujeción o indeterminado.
El ajuste entre dos piezas se puede clasificar en:
Ajuste con holgura o juego. Cuando el diámetro del agujero es mayor que el diámetro del eje.
Ajuste con apriete o de sujeción. Cuando el diámetro del eje es mayor que el del agujero.
Ajuste indeterminado. Cuando el tipo de ajuste puede ser con holgura o apriete, debido a las tolerancias de las piezas. Solamente se conoce si el ajuste definitivamente es con holgura o apriete en el momento del montaje y para un par de piezas en concreto.
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Aplicación práctica |
SOLUCIÓN
Las dimensiones del eje pueden oscilar entre un valor máximo de dM = 32,03 mm y un valor mínimo de dm = 32,02 mm.
Por su parte, las dimensiones del agujero oscilan entre el agujero máximo de DM = 31,99 mm y el mínimo de Dm = 31,97 mm.
Comprobamos si el ajuste es con juego. Para ello se debe cumplir que el diámetro mínimo del agujero sea mayor que el diámetro máximo del eje; o lo que es lo mismo, que el juego mínimo de la unión sea mayor que 0 (Dm dM > 0). En nuestro caso concreto, calculamos el juego mínimo 31,97 32,02 = 0,05 > 0. Al ser la diferencia un número negativo se puede concluir que no es ajuste con juego.
Comprobamos si el ajuste es con apriete. Para ello se debe cumplir que el apriete mínimo sea mayor que 0 (dm DM > 0), o dicho en otras palabras, que el diámetro mínimo del eje sea mayor que el diámetro mínimo del agujero (dm > DM). En nuestro caso intentamos calcular el apriete mínimo 32,02 31,99 = 0,03 > 0. Como el resultado es mayor que 0, se concluye que el ajuste es con apriete.
Si al intentar calcular el apriete mínimo también se hubiese obtenido un valor negativo, el tipo de ajuste sería indeterminado.
Se denomina sistema de ajuste a la forma metódica utilizada para realizar la composición del tipo de ajuste entre dos piezas que deben acoplarse entre sí, y su finalidad es facilitar la interpretación de tipo de ajuste.
Existen dos sistemas para estandarizar los ajustes; estos son:
Sistema de agujero único o agujero base. El sistema de agujero único toma como elemento fijo de referencia para la posición de la zona de tolerancia el agujero ‘H’, según el sistema ISO de posición de tolerancias. Por tanto, el tipo de ajuste viene determinado por la letra estándar ISO de posicionado de la tolerancia para el eje, que es variable entre la letra ‘a’ y la ‘h’, para ajustes con holgura, y entre la ‘j’ y la ‘z’, para ajustes con apriete.
Sistema de eje único o eje base. El sistema de eje único es opuesto al sistema anterior. En este caso se toma como referencia la letra ‘h’ para ejes y como posición variable de la tolerancia la establecida para agujeros, que varía desde la ‘A’ a la ‘H’ para ajuste con holgura y si el ajuste es para un agujero de la ‘J’ a la ‘Z’ se trata de un ajuste con apriete.
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Importante |
Para estandarizar los ajustes existen dos sistemas: el de agujero único o agujero base y el de eje único o eje base.
5. Herramientas y útiles de ajuste mecánico
Las herramientas básicas y útiles del ajustador mecánico son los calibres fijos, también conocidos como ‘pasa-no pasa’, los micrómetros, pies de rey y los relojes comparadores, entre otras. El funcionamiento y las principales características de cada uno de ellos son las siguientes:
5.1. Calibre fijo
Son útiles empleados por el ajustador mecánico para comprobar si el agujero o el eje se ajustan a la tolerancia establecida en el propio calibre. También se conocen con el nombre de galgas. La ventaja fundamental de este tipo de instrumento radica en su facilidad para realizar las mediciones, ya que solo es necesario comprobar si la pieza pasa por un extremo y no pasa por el otro, en cuyo caso se ajusta a la tolerancia exigida.
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Definición |
Galga
Instrumento que sirve para medir calibres o comprobar la forma o dimensión de una pieza.
Existen distintos tipos según la pieza a medir, así para los ejes se usan calibres de herradura, para los agujeros se utilizan calibres o galgas de tapón y para la medición de profundidades se recurre a calibres cónicos.
Tipos de calibres fijos
5.2. Micrómetro
Es una herramienta para realizar medidas de precisión y también se le suele denominar como ‘palmer’. Está formado por un tornillo de rosca fina que hace que se aproxime el contacto móvil al contacto fijo, entre los que quedarán la pieza que se quiere medir así como un sistema de tornillo de acercamiento que dispone de otro sistema que impide ejercer una presión excesiva sobre la pieza que pudiera falsear el resultado de la medición. Para realizar las mediciones dispone de un tambor fijo graduado y un tambor móvil normalmente graduado en 50 partes.
Micrómetro
Con este aparato se pueden realizar medidas de mucha precisión variando su rango desde centésimas de milímetro hasta incluso milésimas de milímetro, dependiendo del modelo empleado.
5.3. Pie de rey
Es una herramienta para realizar medidas de precisión al igual que el micrómetro, pero esta no consta de ninguna parte giratoria. En este caso todas las medidas se realizan gracias a la escala fija y al nonio deslizante para la medida de fracciones de milímetro.
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Importante |
La diferencia entre el micrómetro y el pie de rey es que este último no tiene ninguna parte giratoria.
Se pueden realizar mediciones externas de piezas y mediciones internas gracias a las dos mordazas que posee, así como medidas de profundidad siempre que el pie de rey esté dotado de un vástago en su parte inferior para realizar este cometido.
Con este de aparato se pueden medir desde centímetros hasta décimas de milímetro, aunque con algunos más específicos se pueden conseguir alcanzar precisiones mayores.
Pie de rey
En la actualidad también existen pies de rey electrónicos, donde la lectura de la medida se obtiene directamente en una pantalla digital.
5.4. Reloj comparador
Es un instrumento de precisión utilizado para tomar medidas de longitud por comparación de cotas. Su funcionamiento se basa en la variación que experimenta la punta de contacto del reloj ante dos dimensiones que se desea comparar; el reloj debe colocarse fijo a un soporte para así tener una línea de referencia fija.
El aparato está formado por un círculo central graduado y una aguja con la que se permite obtener la lectura de la comparación de dimensiones.
Este tipo de herramienta es muy usada para realizar comprobaciones de planicidad, redondez, inclinación o rectitud.
Reloj comparador usado para la comprobación de la redondez de una pieza.
Con este aparato se pueden leer hasta milésimas de milímetro en la mayoría de los modelos encontrados en el mercado, tanto en los clásicos analógicos como en los más modernos comparadores digitales.
Existen otras herramientas de fabricación mecánica que conviene que sean conocidas por un ajustador mecánico, tales como fresadoras, taladros, cinceles y martillos, terrajas, troqueladoras, brochadoras o mandriladoras, por si fuese necesario llevar a cabo procesos de rectificación de las dimensiones de piezas.
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Sabía que... |
Por brochado en el metal se entiende la acción de realizar agujeros de sección poligonal o de secciones complicadas.
En la siguiente tabla se indican las aplicaciones de cada una de las herramientas anteriormente enumeradas.
6. Aplicación de técnicas metrológicas
La metrología es la rama de la ciencia que se dedica al estudio de las medidas, para poder expresar el valor de las magnitudes con la necesaria exactitud, haciendo para ello uso de los instrumentos y las técnicas metrológicas adecuadas para cada aplicación.
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Definición |
Metrología
Ciencia que tiene por objeto el estudio de los sistemas de pesas y medidas.
A continuación, se explican las técnicas usadas para realizar mediciones con dos útiles muy empleados en metrología: el micrómetro o ‘palmer’ y el pie de rey.
6.1. Técnica de medición con el micrómetro
Para realizar la medición, una vez que los contactos están situados en la longitud a medir, con ayuda del tornillo de acercamiento limitador de presión se visualiza la última rayita que queda al descubierto en la parte fija del tambor y a ese valor se le suma la parte decimal correspondiente a la división del tambor móvil. Para explicar la técnica de medida con mayor detalle se recurre al siguiente ejemplo de aplicación.
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Aplicación práctica |
Determine la medida realizada con la posición actual del micrómetro que se muestra.
SOLUCIÓN
En el tambor fijo se observan dos graduaciones, una en la parte superior de la línea horizontal de referencia, que nos indica la parte entera de los milímetros, y otra en la parte justamente por debajo de la línea horizontal, que divide cada milímetro por la mitad.
El tambor móvil está dividido en 50 partes donde cada una de ellas indica una centésima de milímetro.
Para realizar la medición, en primer lugar observamos cuál es la última rayita que se muestra, en nuestro caso es la que se encuentra por encima de la línea horizontal de referencia, por tanto la medida será de 6 mm. A esto se le suma la parte que indica el tambor móvil, en este caso 24. Por lo que la medida final es de 6,24 mm.
6.2. Técnica de medición con el pie de rey
La técnica de medida consiste en leer el valor en milímetros de la parte fija que queda justamente a la izquierda del 0 del nonio móvil. A este valor se le suma la parte decimal obtenida por la lectura de la primera rayita del nonio que coincida con una rayita de la parte fija del pie de rey.
Normalmente, los pies de rey suelen estar doblemente graduados para poder realizar mediciones tanto en milímetros como en pulgadas.
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Sabía que... |
Una pulgada es una unidad de medida de longitud que representa la medida de la primera falange del dedo pulgar y equivale a 25,4 mm.
7. Esfuerzos y características dimensionales entre piezas móviles
Las piezas móviles, como por ejemplo los ejes que se encuentran en continua rotación, están sometidas a una serie de esfuerzos durante su funcionamiento. Estos esfuerzos van a influir significativamente en la determinación de las dimensiones que deben tener estos elementos para conseguir así un adecuado funcionamiento y para evitar roturas prematuras de dichas piezas.
Los principales tipos de esfuerzos mecánicos son tracción, compresión, flexión, cortadura y torsión. Estos esfuerzos se pueden producir tanto en piezas móviles como en estáticas solicitadas por unas determinadas fuerzas. Estos principales tipos de esfuerzos se describen de la siguiente manera:
Tracción. Una pieza está sometida a tracción cuando las fuerzas que actúan sobre ella tienden a alargar su longitud. Un ejemplo de este tipo de esfuerzo se produce en los cables tensores.
Compresión. Un elemento está trabajando a compresión cuando las fuerzas tienden a aplastarlo. Un típico ejemplo de elemento trabajando a compresión son los pilares de una edificación.
Flexión. Este tipo de esfuerzo se produce cuando la carga tiende a doblar el elemento; en maquinaria los ejes suelen trabajar a flexión.
Torsión. Es cuando las cargas tienden a retorcer el elemento o pieza. Este tipo de esfuerzo es al que se solicita al eje de la manivela de una puerta cuando se produce la apertura de la misma.
Cortante. Es cuando las fuerzas tienden a desgarrar o cortar la pieza. Por ejemplo, la carga que introducen unos alicates en el proceso de corte de un alambre.
Existe un tipo de esfuerzo muy importante en el dimensionado de piezas móviles y que influye en la vida útil de la maquinaria, este esfuerzo es conocido como fatiga. La fatiga se produce por cargas dinámicas repetitivas en el tiempo y que en muchas ocasiones no tienen por qué ser de demasiada intensidad. El principal riesgo que entraña este tipo de esfuerzo es que produce roturas súbitas en las piezas y generalmente sin previo aviso.
Engranaje de maquinaria con rotura por fatiga
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Nota |
La rotura por fatiga es la primera causa de fallos en piezas metálicas móviles.
Para asegurar el correcto funcionamiento entre piezas debe haber un movimiento relativo entre ambas y existir un cierto juego u holgura, por lo que sus dimensiones y tolerancia deben tener unas características adecuadas para que el ajuste entre ellas no sea con aprieto.
8. Determinación de parámetros de ajuste
Para el correcto funcionamiento de un conjunto mecánico se deben determinar los parámetros necesarios de ajuste, según la finalidad a que se destine y las exigencias de calidad demandadas. Para ello existen diferentes parámetros que se pueden controlar, entre los que destacan:
Paralelismo. En ocasiones en el acople de algunas piezas se hace necesario establecer una gran precisión en el paralelismo de determinadas superficies.
Perpendicularidad. Al igual que ocurre con el paralelismo en algunas situaciones, se hace necesario establecer un control en la perpendicularidad de algunas superficies, por lo que en los planos de fabricación se introduce una tolerancia en este parámetro.
Redondez. Determinadas piezas cilíndricas exigen una precisión en la redondez, con lo que al introducir este parámetro de calidad no serán admisibles los elementos que presenten una desviación excesiva de la circunferencia hacia la forma ovalada.
Conicidad. En ocasiones es este el parámetro crítico en el ajuste mecánico por lo que no es de extrañar encontrarlo definido en los planos de fabricación de ciertos elementos.
Planitud. Determina la tolerancia en la desviación con el plano teórico en el que tendrían que estar englobados todos los puntos de una misma superficie, que tiene una superficie que haya sido mecanizada previamente.
Concentricidad. Este parámetro se usa para determinar la variación permitida máxima en el centro de giro común que deben tener diferentes diámetros de una pieza.
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Importante |
Los diferentes parámetros de ajuste a controlar son el paralelismo, la perpendicularidad, la redondez, la conicidad, la plenitud y la concentricidad.
Los diferentes parámetros aquí estudiados tienen la representación normalizada que se muestra en la siguiente tabla.
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Importante |
El control de cilindricidad es un control completo, el cual incluye circularidad, linealidad y conicidad de una figura cilíndrica.
El ajuste industrial es un área muy importante en las labores de montaje de sistemas mecánicos. Debido al alto grado de calidad y a las elevadas prestaciones exigidas a la maquinaria, las piezas que forman los diferentes conjuntos deben estar fabricadas con unas determinadas tolerancias dimensionales para satisfacer así las exigencias para las que han sido proyectadas.
Por tanto, no se debe pasar de largo el estudio de los tipos de ajuste existentes, las tolerancias dimensionales, así como los parámetros objeto de control en la fabricación mecánica.
Todo ello debe de ir acompañado de un manejo adecuado y preciso de los instrumentos más habituales de medición, entre los que destacan los calibres fijos, los micrómetros, los pies de rey y los relojes comparadores, entre otros; y una correcta interpretación de los símbolos empleados en los planos tanto de montaje como de fabricación de elementos de maquinaria industrial.
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Ejercicios de repaso y autoevaluación |
1. Indique qué se entiende por tolerancia en el ámbito del ajuste mecánico y enumere al menos cuatro parámetros que pueden ser objeto de una tolerancia límite en la fabricación mecánica.
2. En función del tipo de ajuste, ¿cómo se pueden clasificar las uniones de los conjuntos mecánicos? Indique cuándo tiene lugar cada tipo de unión.
3. Indique qué sistema de ajuste se está empleando para las siguientes uniones, así como el tipo de ajuste que tiene lugar.
30 h7-g6
200 M6-h5
4. ¿Cuáles son las principales aplicaciones de un reloj comparador? ¿Qué precisión suelen tener la mayoría de modelos que se pueden encontrar en el mercado?
5. ¿Qué es la fatiga de un elemento de una máquina? Indique la importancia que presenta en la labores de mantenimiento industrial.
6. ¿Cómo se define la tolerancia de una pieza? ¿En qué unidades se mide según el sistema ISO?
7. Enumere tres formas distintas de representar la tolerancia en un plano de fabricación mecánica.
8. ¿Cuál es la función de las siguientes herramientas?
a. Una mandriladora.
b. Una terraja.
c. Una troqueladora.
9. Explique cuál es la técnica para realizar medidas con el pie de rey.
10. Enumere los principales tipos de esfuerzos mecánicos. ¿Cuál de ellos tiende a alargar la dimensión longitudinal de la pieza?