Mecanismos: La Rosca

Mantienen unido todo, desde el reloj más delicado hasta el puente más grande. El mundo literalmente se impide que se desmorone mediante tornillos y pernos y, sin embargo, no solemos pensar en estos mecanismos. Parte de eso probablemente se debe a que nos hemos vuelto tan buenos fabricándolos que se los considera productos baratos, pero la física y la ingeniería detrás de la rosca del tornillo son cosas interesantes.

Probablemente todos recordemos una lección de ciencia temprana en la que se exponían los componentes básicos de todos los mecanismos. Las máquinas simples son mecanismos que utilizan una fuerza aplicada para realizar un trabajo, como el plano inclinado, la palanca y la polea. Por ejemplo, un plano inclinado, en forma de cuña de división, dirige la fuerza de los golpes contra su cara plana en un trozo de madera, forzando la separación de la madera.

Las roscas de tornillo son otra máquina simple y se puede considerar como un plano inclinado largo y suavemente inclinado envuelto alrededor de un cilindro. Corta un triángulo rectángulo largo de papel, envuélvelo alrededor de un lápiz comenzando por el extremo grande y la hipotenusa forma una rampa helicoidal que parece un hilo. Por supuesto, para que la rosca de un tornillo pueda realizar cualquier trabajo, tiene que sobresalir más que el grosor de una hoja de papel, y la forma de la proyección determina las propiedades mecánicas del tornillo.

El perfil de rosca más común es la rosca en V simple, con las caras opuestas de la rosca formando un ángulo de 60°. Este ángulo de rosca es un compromiso que equilibra la eficiencia, la tasa de desgaste, la resistencia y, lo más importante, la fricción de las roscas. Junto con el paso, o número de roscas por unidad de longitud, la fricción de la rosca contribuye a la propiedad de autobloqueo o "no reacondicionamiento" de la mayoría de las roscas. Las roscas autoblocantes convierten fácilmente una fuerza de rotación en una fuerza axial, pero no al revés. Es fácil ver esta propiedad en acción: una tuerca gira fácilmente sobre un tornillo con presión de los dedos, pero empuja la tuerca tan fuerte como puedas a lo largo del eje largo del tornillo y el tornillo no comenzará a girar. El autobloqueo evita que herramientas como gatos de tornillo se desenrollen bajo carga.

Los perfiles de rosca de tornillo se pueden modificar a partir del perfil en V estándar para un mejor rendimiento bajo diferentes cargas. El perfil Acme, una forma trapezoidal con caras que forman un ángulo incluido de 29° y con grandes crestas y raíces planas, es particularmente adecuado para aplicaciones de carga alta como prensas y abrazaderas. También se encuentra en tornillos de avance como los utilizados en actuadores lineales que se encuentran en todo, desde reproductores de DVD hasta máquinas CNC. El perfil Acme también se encuentra en los tornillos de avance de la mayoría de los tornos metálicos porque funciona bien con tuercas partidas. Las tuercas partidas son exactamente lo que parecen: un elemento con rosca interna que se ha dividido longitudinalmente y se puede abrir y cerrar alrededor de un tornillo principal. Esto se utiliza con ventaja en operaciones de corte de roscas, en las que la tuerca partida se cierra alrededor del tornillo de avance al inicio del corte de roscas y se abre al final del corte, iniciando y deteniendo el movimiento de la herramienta de corte contra la pieza de trabajo en ubicaciones repetibles.

Para roscas de precisión y producción de bajo volumen, las roscas cortadas son comunes. Las roscas cortadas se producen en un torno o en una máquina CNC quitando material para formar el perfil de la rosca, ya sea con una herramienta de corte de rosca trasladada longitudinalmente contra una pieza de trabajo giratoria, o con un macho (para roscas internas) o una matriz (para roscas externas). ).

Sin embargo, cortar roscas requiere mucho tiempo, por lo que para la producción en masa, las roscas externas generalmente se forman con una operación de laminación. Una pieza en bruto forjada se sujeta firmemente entre un par de matrices ranuradas, una de las cuales es estacionaria. El troquel opuesto se mueve perpendicular al eje longitudinal de la pieza en bruto, presionando el perfil de rosca en ella. Dado que no se elimina ningún material de la pieza en bruto y debido a que el material se endurece, los hilos enrollados pueden ser más fuertes que los hilos cortados. El proceso de laminación también es fácil de automatizar y las máquinas laminadoras pueden producir miles de piezas por minuto.

Las roscas internas de las tuercas no se prestan a enrollarse, por lo que la mayoría de las tuercas producidas en masa se forman mediante un proceso de forjado en caliente. Los troqueles que forman el perfil de la cabeza golpean trozos calientes de metal y perforan el orificio central. Posteriormente, los espacios en bruto enfriados se envían a una máquina roscadora que corta las roscas internas mediante un macho.

Por supuesto, hay mucho más que hacer que este rápido recorrido. La simplicidad de las roscas de los tornillos y la ubicuidad de los sujetadores roscados contradicen la física detrás de estos mecanismos, pero comprender los conceptos básicos es un excelente lugar para comenzar.