Guía completa de elementos de fijación en fabricación: Tornillos, pernos y más

¿Qué es un elemento de fijación?

Los elementos de fijación juegan un papel crucial en el diseño, fabricación y ensamblaje de piezas. Estas pequeñas piezas de ferretería son simples e económicas, pero sin ellas tendríamos dificultades para fabricar muchas cosas importantes: muebles, estructuras arquitectónicas, ordenadores, suelos, vehículos y mucho más.

El papel de un elemento de fijación es unir mecánicamente dos o más componentes. Puede unir componentes de muchas formas, pero lo único de los elementos de fijación es que típicamente (aunque no siempre) crean uniones no permanentes.

Los elementos de fijación son ubicuos, y los encontrará muchos en su día a día. Algunos de los tipos más comunes de elementos de fijación metálicos industriales son:

• Tornillos
• Tuercas
• Pernos
• Remaches
• Insertos roscados y varillas
• Arandelas

Sin embargo, la categoría de elementos de fijación también incluye ferretería usada fuera de la industria, como clavos para bricolaje y carpintería; botones, hebillas y cremalleras para ropa; clavijas y bridas para uso doméstico; y grapas, alfileres y clips para tareas de oficina.

Todos estos tipos de elementos de fijación funcionan de formas mecánicas ligeramente diferentes, pero todos se usan en la unión o ensamblaje de objetos. Con algunas excepciones, la mayoría de elementos de fijación industriales son de metal, generalmente acero (acero inoxidable, acero al carbono, acero aleado), aluminio o titanio. Muchas de las piezas que fabricamos en 3ERP —incluyendo piezas mecanizadas, moldeadas y de chapa metálica— se ensamblan finalmente usando elementos de fijación.

Esta guía examina en detalle los diferentes tipos de elementos de fijación y explica cómo funcionan y cómo usarlos. Puede ser útil para nuestros clientes de prototipado que están desarrollando productos multi-componente que requieren ensamblaje con elementos de fijación.

Materiales de los elementos de fijación

¿De qué están hechos los elementos de fijación?

Los mejores materiales para la producción de elementos de fijación incluyen aceros (acero inoxidable, acero al carbono, acero aleado), aluminio, titanio, cobre, latón, níquel y varias aleaciones. Los aceros inoxidables comunes usados para elementos de fijación industriales incluyen series 200, 300 y 400.

Los elementos de fijación también pueden recubrirse con otros materiales para mayor funcionalidad, ej. resistencia a la corrosión o aislamiento eléctrico. Recubrimientos y chapados comunes incluyen cromo y zinc.

¿Qué materiales pueden unir los elementos de fijación?

Diferentes tipos de elementos de fijación industriales se usan para diferentes materiales, con algunos diseñados específicamente para un material, ej. tornillos para madera (madera) o pernos de anclaje (hormigón).

Normas de elementos de fijación

La Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME) tiene actualmente 66 estándares activos publicados bajo el designador B18 para elementos de fijación. Los estándares enfocados en calidad "establecen requisitos de inspección en proceso y final para productos de fijación" y proporcionan un "plan de inspección de recepción para compradores de elementos de fijación".

Estándares ASME incluyen:

• B18.1.1: Remaches pequeños
• B18.1.2: Remaches grandes
• B18.2.3.1M: Tornillos de cabeza hexagonal métricos
• B18.3: Tornillos de cabeza hueca, de hombro, de presión, y llaves hexagonales
• B18.6.1: Tornillos para madera
• B18.6.2: Tornillos de cabeza ranurada, de cabeza cuadrada, y sin cabeza ranurada
• B18.6.3: Tornillos de máquina, tornillos autorroscantes, y tornillos de avance metálico
• B18.6.9: Tuercas de mariposa
• B18.18: Aseguramiento de calidad para elementos de fijación

Tornillos

Los tornillos, generalmente de metal, son elementos de fijación con roscas externas masculinas (crestas helicoidales) que encajan con las roscas internas femeninas en los componentes que están fijando.

Una característica definitoria de los tornillos es que a menudo son autorroscantes o autorroscantes: tienen un extremo afilado que corta la superficie del componente; cuando el tornillo gira, corta la rosca hembra interna en el componente y permite la conexión. Los tornillos son a menudo elementos de fijación independientes, ya que se unen con el propio componente.

Los tornillos son similares en función a los pernos, pero los pernos no suelen ser autorroscantes; típicamente tienen puntas romas, y las roscas hembra en los componentes deben hacerse por otros medios.

Confusamente, algunos elementos de fijación que técnicamente son tornillos han sido, por uso, etiquetados como pernos (y viceversa).

Tipos de tornillo

Hay muchos tipos de tornillos adecuados para diferentes aplicaciones. Algunos de los más comunes son:

• Tornillos para chapa metálica: Tornillos autorroscantes muy afilados que pueden penetrar chapa metálica, así como madera y plástico.
• Tornillos de máquina: Instalados en agujeros pretaladrados, los tornillos de máquina tienen roscas finas precisas y son los más usados en componentes de máquinas.
• Tornillos de cabeza cilíndrica (Cap screws): Tornillos con cabezas grandes típicamente usados en ensamblaje de maquinaria como electrodomésticos.
• Tornillos de ojo (Eye screws): A veces llamados tornillos de ojo retardados, estos tornillos tienen una cabeza en bucle a través de la cual se pueden pasar líneas.
• Tornillos retardados (Lag screws): Tornillos largos recubiertos de zinc con rosca hasta el vástago, usados principalmente en carpintería.
• Tornillos para madera: Tornillos comunes de punta afilada usados en carpintería.

Tipos de accionamiento de tornillo

Los tornillos también pueden categorizarse por sus diseños de accionamiento: se necesitan diferentes herramientas para accionar o quitar diferentes tornillos. Tipos de accionamiento incluyen:

• Ranurado
• De tres puntas
• Cruciforme (ej. Phillips)
• Polígono externo
• Polígono interno (ej. hexagonales / Allen)
• Hexalobular
• Varios

Pernos

Al igual que los tornillos, los pernos son elementos de fijación con roscas externas masculinas usadas para conectar dos o más componentes.

A diferencia de los tornillos, sin embargo, los pernos requieren una rosca hembra preformada con la que encajar. No son autorroscantes; en su lugar, la rosca hembra a menudo pertenece a una tuerca. Los pernos (masculinos) y las tuercas (femeninas) se usan en conjunción para unir componentes con agujeros sin rosca, y este tipo de unión se llama unión perno-tuerca.

Cuando se usan con tuercas, los pernos funcionan con agujeros pasantes (es decir, agujeros que atraviesan todo el material de un objeto), con la cabeza del perno en un lado y la tuerca en el otro. Los tornillos, por otro lado, a menudo se usan para hacer agujeros ciegos; solo penetran parcialmente en el material.

Tipos de perno

Hay muchos tipos de pernos adecuados para diferentes aplicaciones. Algunos de los más comunes son:

• Pernos hexagonales: Pernos roscados con cabezas hexagonales que pueden tener una sección sin roscar inmediatamente debajo de la cabeza.
• Pernos de sexo (Sex bolts): A veces llamados perno Chicago, perno de barril o tuerca de barril, estos pernos son en realidad pernos y tuercas a la vez, compuestos por un barril con rosca hembra y un tornillo con rosca macho.
• Pernos en U (U-bolts): Elementos de fijación en forma de U con dos extremos roscados paralelos, usados para sujetar elementos como tuberías.
• Pernos de ojo (Eye bolts): Pernos con cabeza en bucle a través de la cual se pueden pasar líneas.
• Pernos de carruaje (Carriage bolts): Pernos roscados con cabeza redondeada en forma de seta para evitar giro y cuello cuadrado inmediatamente debajo.

Tuercas

Las tuercas son elementos de fijación con agujeros roscados hembra que se usan típicamente con un perno correspondiente para formar una unión perno-tuerca. El sistema de acoplamiento tuerca-perno funciona para conectar componentes con agujeros sin rosca.

Las tuercas y pernos suelen mantenerse seguros debido a la fricción, compresión y el ligero estiramiento del perno. Sin embargo, la conexión puede aflojarse indeseablemente durante aplicaciones con alto nivel de vibración. En este caso, se puede usar una tuerca de bloqueo o fluido de bloqueo para asegurar la tuerca, o se puede añadir una segunda tuerca al perno.

Mientras que el interior de una tuerca está roscado, el exterior puede tomar muchas formas, dependiendo de si se girará a mano o con llave, y de varios otros factores.

Tipos de tuerca

Hay muchos tipos de tuercas adecuados para diferentes aplicaciones. Algunos de los más comunes son:

• Tuercas acorn: A veces llamadas tuercas de casquete, estos elementos son abovedados en un lado para cubrir el extremo del perno.
• Tuercas de soldadura: Diseñadas para que un lado pueda soldarse a otro componente metálico.
• Tuercas hexagonales: Elementos comunes con exterior hexagonal para fácil uso de llave.
• Tuercas de mariposa (Wing nuts): Tuercas con formas aladas en cada lado para permitir giro fácil a mano, sin herramientas.
• Tuercas de barril (Barrel nuts): Ver "pernos de sexo" arriba.

Remaches

Los remaches son elementos de fijación que típicamente tienen un vástago liso y sin roscas. Un remache tiene una cabeza en un extremo y una cola en el otro.

Para funcionar como elemento de fijación, un remache se coloca en un agujero, luego, usando fuerza mecánica, su cola se "revira", haciéndola expandir a alrededor de 1.5 veces el diámetro del vástago y creando la unión. Una vez que un remache ha sido revirado, efectivamente tiene dos cabezas: la cabeza original de fábrica y la nueva cabeza de taller.

A diferencia de tornillos, roscas y pernos, los remaches crean uniones permanentes: una vez que la cola es revirada, no puede volver a su estado original. Las uniones remachadas son, por tanto, mucho más difíciles de separar que uniones no permanentes como las uniones perno-tuerca.

Tipos de remache

Hay muchos tipos de remaches adecuados para diferentes aplicaciones. Algunos de los más comunes son:

• Remaches pop: También conocidos como remaches ciegos, estos remaches son tubulares y tienen un mandril central con un área debilitada cerca de la cabeza (donde puede romperse).
• Remaches sólidos: Elementos simples con vástago y cabeza que pueden deformarse con una remachadora o martillo.
• Remaches semitubulares: Como remaches sólidos, pero con un agujero parcial en la punta que reduce la fuerza necesaria para revirar.

Otros elementos de fijación roscados

Además de tornillos, pernos y tuercas, hay otros tipos de elementos de fijación roscados con usos más especializados.

Un insertro roscado (o buje roscado) es un elemento de fijación con roscas internas (y a veces externas) que se inserta en material que no suele aceptar rosca —ya sea porque es demasiado blando, o porque un agujero roscado existente se ha desgastado. Actúa como un ancla para paneles de yeso usada para colgar estanterías. Los insertos roscados metálicos pueden instalarse en piezas de plástico moldeado por moldeo por inserción alrededor del buje.

Una varilla roscada (o espárrago) es un elemento de fijación similar a un perno pero roscado en ambos extremos, sin cabeza. Diseñado para usarse en tensión, una varilla roscada puede aceptar una tuerca en ambos extremos.

Arandelas

Aunque no son técnicamente elementos de fijación en sí mismos, las arandelas son piezas de ferretería usadas en conjunción con elementos de fijación como tuercas y pernos.

Una arandela es una placa delgada con un agujero en su centro usada como separador, distribuidor de carga, dispositivo de bloqueo o amortiguador de vibraciones. Las arandelas son típicamente circulares pero también pueden ser cuadradas.

Las arandelas evitan que los elementos de fijación hagan contacto directo con un componente y por tanto pueden proteger la superficie del componente.

Para más información sobre los tipos de elementos de fijación que podría necesitar para su próximo prototipo, contacte con 3ERP o solicite un presupuesto.