Medir la fuerza de apriete sin banco de pruebas: 3 métodos prácticos para la producción

¿Cómo puede saber si una unión atornillada alcanza realmente la fuerza de apriete (fuerza de sujeción) especificada? La respuesta honesta: en la mayoría de las líneas de producción esto no se sabe de forma directa. Como ya explicamos en nuestro artículo Fuerza de apriete vs. torque: por qué quizá está midiendo la magnitud equivocada, alrededor del 90 % del torque aplicado se pierde en fricción. Solo la parte restante genera realmente fuerza de apriete, que es la magnitud decisiva para la seguridad de la unión.

Montar un banco de pruebas clásico con célula de carga es posible, pero en la producción en serie en curso no resulta ni práctico ni rentable. La buena noticia: existen tres métodos aplicables en la práctica para medir la fuerza de apriete sin banco de pruebas estacionario. Cada uno tiene sus puntos fuertes y también límites claros; la elección correcta depende siempre de su caso de aplicación concreto y de sus requisitos de aseguramiento de calidad en montaje.

Método 1: Medición por ultrasonido - Alta precisión, alto esfuerzo

Cómo funciona el método

El método de medición por ultrasonido aprovecha el llamado efecto acusto-elástico: cuando un tornillo está sometido a tracción, cambia el tiempo de propagación de una onda ultrasónica longitudinal a lo largo del vástago. La onda se propaga por toda la longitud del tornillo, se refleja en su extremo y es recibida de nuevo por el transductor ultrasónico.

A partir de la variación del tiempo de tránsito entre el estado sin carga y el estado atornillado se puede calcular la elongación y, con ello, la fuerza de apriete.

Ventajas

• Medición directa de la elongación del tornillo: El método mide una magnitud físicamente muy cercana a la fuerza de apriete y es independiente del coeficiente de fricción.
• Alta precisión en la medición individual: Utilizando únicamente la onda longitudinal (el llamado "Assembly-Mode") se alcanza una precisión de aproximadamente un 3 %.
• Validación de procesos de apriete existentes: Ideal para comprobar de forma experimental los supuestos de fricción en la unión.

Límites y desventajas

En la producción en serie este método presenta limitaciones significativas. Con el método de un solo modo es necesario conocer el tiempo de propagación de referencia de cada tornillo en estado no pretensado, así como realizar una calibración específica para el material y el tipo de tornillo. Esto significa: cada tornillo debe medirse individualmente antes del montaje, un esfuerzo considerable en un entorno de producción en serie.

A ello se suman otras restricciones:

• La superficie del tornillo debe ser accesible y preparada para el acoplamiento acústico.
• La medición por ultrasonido proporciona valores individuales muy precisos, pero es dependiente de la temperatura, lenta y poco adecuada para grupos grandes de tornillos, por lo que un monitoreo continuo no es práctico.
• Los costes adicionales por tornillo dificultan la aceptación de este método en el mercado.

Conclusión Método 1: La medición por ultrasonido es el método más preciso para muestreos, mediciones de laboratorio y tareas de validación. Para un control al 100 % en producción en serie resulta demasiado costoso y complejo.

Método 2: Análisis de torque y ángulo de giro - La solución más económica para la serie

Cómo funciona el método

En los procedimientos de montaje habituales, la fuerza de apriete no se determina de forma directa, sino a partir del control y la supervisión de parámetros de proceso como torque, ángulo de giro, profundidad de atornillado o tiempo de atornillado. El análisis de torque y ángulo de giro va mucho más allá de un simple control de torque con un medidor de torque convencional.

Como explicamos con detalle en nuestro artículo Leer la "huella dactilar" de su unión atornillada, la curva completa de apriete aporta una gran cantidad de información de proceso: una curva de apriete típica de torque y ángulo de giro comienza con una zona no lineal, en la que los componentes se alinean. A continuación sigue la zona lineal elástica, en la que se genera la fuerza de apriete, las piezas se cierran y la unión se estabiliza.

El gradiente de esta zona elástica se correlaciona con la flexibilidad de la unión y, en consecuencia, con la fuerza de apriete efectivamente generada. La fuerza de apriete se determina a partir del torque aplicado o de la combinación de torque y ángulo de giro. El cálculo de la fuerza se basa en el supuesto de que una fracción definida del torque se transforma en deformación elástica.

Anomalías como fricción elevada en la rosca, cargas transversales o el rebase del límite elástico quedan claramente visibles en la curva y no se pueden detectar con un valor de torque aislado.

El QUANTEC MCS® como herramienta de análisis

El QUANTEC MCS® de GWK está diseñado exactamente para esta tarea: registra mediante su medición de ángulo de giro sin punto de referencia fijo la curva de apriete completa en tiempo real, sin necesidad de un punto de referencia externo. Su precisión de medición es de ±1 % entre el 10 y el 100 % del rango nominal, y la robusta construcción en aluminio y titanio garantiza estabilidad a largo plazo incluso en condiciones de producción exigentes.

Los datos registrados se transmiten de forma inalámbrica por WLAN y pueden analizarse, archivarse y documentarse para auditorías en el software QuanLab Pro®, Ceus o QS-Torque. De este modo, el QUANTEC MCS® no es solo una herramienta de análisis de torque y de ángulo, sino también una plataforma de documentación para atornillados de clase A según VDI/VDE 2862.

Ventajas

• Apta para producción en serie: No requiere preparación de los tornillos; se integra directamente en la producción en curso como sistema de control de montaje.
• Control al 100 % posible: Cada unión individual se supervisa y se documenta.
• Información de proceso en lugar de un valor aislado: Se hacen visibles anomalías, efectos de fricción y superaciones del límite elástico.
• Económica: Un solo equipo cubre todos los puntos de atornillado dentro del rango de medición definido.
• Combinable: Puede complementarse con muestreos por ultrasonido para validar periódicamente los coeficientes de fricción.

Límites y desventajas

• El método depende en gran medida del coeficiente de fricción: variaciones en la lubricación, en la fricción de la rosca o en el asiento de la cabeza del tornillo provocan dispersión significativa en la fuerza de apriete alcanzada. El valor de fricción debe ser conocido y estable para que el análisis de la curva permita inferir con fiabilidad la fuerza de apriete.
• Se trata de una medición indirecta: no se mide la elongación de forma directa como en el método por ultrasonido.

Conclusión Método 2: Para la producción en serie, el análisis de torque y ángulo de giro es el método más económico y aplicable en la práctica, especialmente cuando se requiere información detallada de proceso, detección de anomalías y se busca optimizar procesos de montaje de forma sistemática.

Método 3: Tornillos sensorizados (tornillos de medición de fuerza) - Medición directa, costes máximos

Cómo funciona el método

En los tornillos sensorizados, también llamados tornillos de medición de fuerza, se integra directamente en el vástago un extensómetro (DMS) o un sensor piezoeléctrico. Estos elementos registran la fuerza real en el tornillo y los componentes dinámicos de carga directamente en el vástago. Esto convierte a los tornillos sensorizados en el método más directo de los tres: se mide la fuerza axial de tracción en el propio vástago.

El puente completo de DMS permite una medición precisa de la fuerza axial del tornillo. Según la variante, también es posible medir momentos flectores o componentes de torsión, lo que permite analizar con gran detalle el comportamiento de carga de uniones atornilladas complejas mediante un avanzado sistema de sensores.

Una ventaja importante frente a los otros métodos: los tornillos sensorizados son especialmente adecuados para el monitoring permanente de uniones atornilladas altamente solicitadas. La medición también es posible en servicio, es decir, bajo carga de operación.

Ventajas

• Método de medición más directo: No se necesitan correlaciones ni suposiciones; la fuerza se mide directamente en el vástago.
• Monitoring en operación posible: Medición de la fuerza también bajo cargas dinámicas de servicio.
• Muy alta precisión cuando se conoce con exactitud la característica del sensor.

Límites y desventajas

La desventaja decisiva es el precio. Con cada tornillo atornillado queda un elemento sensor caro en el componente; el tornillo no puede reutilizarse tras la medición. Para aplicaciones en serie con cientos o miles de puntos de atornillado, esto es simplemente antieconómico.

Otras limitaciones:

• No se pueden utilizar tornillos estándar; se requieren diseños especiales.
• Disponibilidad limitada en tamaños estándar.
• Alto esfuerzo de integración y formación.

Conclusión Método 3: Los tornillos de medición de fuerza son la herramienta adecuada para desarrollo, prototipado y uniones individuales altamente críticas, no para un control de serie rentable.

Comparación directa: las tres métodos de un vistazo

¿Qué método se adapta mejor a su proceso?

Descubra con nuestro asistente interactivo de decisión qué método de medición es el más adecuado para su aplicación específica y para su estrategia de aseguramiento de calidad en montaje:

Por qué el análisis de torque y ángulo de giro es superior en la serie

Para la gran mayoría de las aplicaciones industriales -automoción, aerospace, ingeniería mecánica, industria ferroviaria- se cumple lo siguiente: el análisis de torque y ángulo de giro con el QUANTEC MCS® ofrece el mejor compromiso entre precisión, rentabilidad y aplicabilidad práctica como medidor de torque y medidor de ángulo de giro integrado en la línea.

Rentabilidad a lo largo de toda la línea

Un único QUANTEC MCS® cubre todos los puntos de atornillado dentro de su rango de medición. No se requieren tornillos especiales, preparaciones complejas ni calibraciones específicas por tipo de tornillo. A diferencia de la medición por ultrasonido, no son necesarias mediciones de referencia en estado sin carga.

Control al 100 % en lugar de muestreo

Un procedimiento basado solo en torque es adecuado para aplicar una especificación de apriete definida, pero no aporta información sobre cómo evoluciona la fuerza del tornillo en servicio. El análisis de torque y ángulo de giro va más allá: cada unión se registra por completo, y desviaciones en la curva -por ejemplo, debidas a anomalías de fricción o a una geometría de unión defectuosa- se detectan de inmediato. Esto es especialmente relevante en el contexto de la investigación de capacidad de proceso (PFU) según VDI/VDE 2645-3, donde las dispersiones en la fuerza de apriete alcanzada deben registrarse y evaluarse de forma sistemática.

Detección de anomalías como valor añadido

Factores perturbadores como defectos de rosca pueden dar lugar a un torque suficientemente alto, mientras que la fuerza de apriete real queda muy por debajo de las exigencias. Precisamente estos casos -que pasan desapercibidos con un simple control de torque- se identifican de forma fiable mediante el análisis de torque y ángulo de giro. Cargas transversales, uniones demasiado rígidas (los llamados "casos de atornillado duros"), sobreapriete o movimientos de asentamiento durante el proceso de apriete: todo deja una firma característica en la curva de apriete.

La estrategia de combinación óptima

El enfoque más inteligente en la práctica combina ambos métodos de medición para medir fuerza de apriete con seguridad:

• QUANTEC MCS® para el control continuo al 100 % en la producción en serie (análisis de torque y análisis de ángulo de giro)
• Muestreos por ultrasonido para la validación periódica de los supuestos de fricción

Así aprovecha las fortalezas de ambos métodos sin asumir plenamente sus desventajas y puede optimizar procesos de montaje con base en datos reales.

Si desea respaldar los requisitos Cmk y Cpk de sus procesos de atornillado con datos de medición sólidos, la curva de apriete completa del QUANTEC MCS® constituye la base adecuada, no un único valor de torque al final del proceso.

GWK ToolRent®: Probar primero, decidir después

Quien desee probar el análisis de torque y ángulo de giro en su propia producción no tiene por qué invertir de inmediato. Con el sistema de alquiler GWK ToolRent® obtiene un QUANTEC MCS® calibrado por semanas, meses o años, incluido el certificado de calibración vigente, listo para el envío y con entrega a nivel mundial. Así puede validar el método bajo condiciones reales de producción en serie antes de tomar una decisión de inversión.

Conclusión: el método adecuado para cada caso de aplicación

Los tres métodos para medir fuerza de apriete tienen su justificación; la elección depende del caso de aplicación:

• Medición por ultrasonido -> Muestreos, validación en laboratorio, fase de prototipo
• Análisis de torque y ángulo de giro (QUANTEC MCS®) -> Producción en serie, control al 100 %, detección de anomalías
• Tornillos sensorizados -> Desarrollo, uniones individuales altamente críticas, monitoring en operación

Para la gran mayoría de las producciones industriales en serie, el análisis de torque y ángulo de giro con el QUANTEC MCS® es la solución más económica, práctica y rica en información. No solo proporciona un valor final, sino la "huella dactilar" completa de cada unión, y por tanto la base para decisiones de calidad bien fundamentadas en su control de montaje.

Accuracy by GWK - 30 años de competencia en metrología concentrados en herramientas precisas que muestran lo que realmente sucede en la unión atornillada.