Instalación de insertos autosujetables en chapas gruesas

Introducción

Los insertos autosujetables se prensan en orificios de chapas metálicas dúctiles para crear una unión permanente con el material principal y reemplazar una o más piezas de herrajes sueltos tradicionales u orificios extruidos/roscados en paneles y soportes (figura 1). Una parte del sujetador se prensa y desplaza el material de la chapa alrededor del orificio, lo que hace que el material transpuesto fluya en frío alrededor y hacia el interior de rebajos anulares y anillos moleteados o ranurados especialmente diseñados (figura 2). Estas son dos consideraciones importantes en el diseño de insertos autosujetables: (1) su material debe ser considerablemente más duro que el material de la chapa; de lo contrario, el sujetador se deformará en lugar de causar el desplazamiento necesario del material base; (2) el orificio de la chapa debe tener un diámetro ligeramente mayor (generalmente, solo un par de milésimas de pulgada) que la parte del sujetador que se inserta en la chapa. Los dos materiales de insertos autosujetables más comunes son el acero con bajo contenido de carbono tratado con calor y el acero inoxidable de la serie AISI 300 para instalación en chapas de aluminio y acero con bajo contenido de carbono. La creación de orificios en chapas gruesas mediante perforación o corte por láser puede violar estos dos fundamentos e impedir la instalación adecuada, lo que conduce a insertos mal asegurados, a menos que se tomen medidas adicionales.

Figura 1. Sujetadores autosujetables de izquierda a derecha: separador roscado, tuerca, pasador guía, perno prisionero y cautivo dentro y alrededor de un tornillo anular especialmente diseñado.
Figura 2. (Izquierda) Separador roscado autosujetable insertado a través de la chapa y dentro de un yunque antes de la compresión con un punzón. (Centro) El material desplazado fluye hacia el rebajo creando una unión autosujetable permanente. (Derecha) Los separadores roscados autosujetables se usan para espaciar y montar con precisión los paneles adyacentes.
Figura 3. La perforación de un orificio en una chapa metálica requiere un espacio libre entre el punzón y la matriz, lo que crea un orificio en forma de campana en chapas gruesas (los ángulos del orificio se exageraron para dar énfasis).

Orificios perforados en chapas gruesas

En la metalurgia de producción media a alta, el método más común para crear orificios en chapas metálicas es perforar un orificio con un punzón. El punzón está fabricado con acero endurecido o carburo, y se fuerza a través de la chapa con una prensa. Una matriz en el lado opuesto de la pieza de trabajo soporta el borde del orificio que se está creando. El diámetro del orificio que corresponde al lado del punzón coincidirá con el del punzón y tendrá paredes lisas y pulidas. Sin embargo, debido a que se requiere una pequeña cantidad de espacio libre entre el punzón y la matriz, aproximadamente a la mitad del orificio, las paredes experimentarán una “rotura de la matriz”, lo que dará como resultado una superficie áspera y un diámetro del orificio en el lado de la matriz que coincidirá estrechamente con el orificio de la matriz. A medida que aumenta el espesor de la chapa, también debe hacerlo el espacio libre entre el punzón y la matriz, lo que da como resultado un orificio en forma de campana con un diámetro en el lado de la matriz que posiblemente exceda el diámetro del orificio recomendado para el sujetador autosujetable (figura 3). Un análisis de la aplicación de los separadores roscados autosujetables que tienen una ligera presión después de la instalación reveló que el herraje se instaló desde el lado de la matriz en orificios característicos con forma de campana en chapas de .134” de espesor. En este ejemplo, las piezas también se instalaron desde el lado del punzón, y el espacio resultante alrededor del sujetador indicó que cualquier sujetador instalado en el lado de la matriz se instalaría en un orificio similar de gran tamaño (figura 4). Este separador roscado en particular requirió un orificio de .281”-.284” de diámetro en la chapa metálica. El diámetro del orificio en el lado de la matriz midió .291”, por lo que no permitió que una cantidad adecuada de material se desplazara durante la instalación y fluyera hacia el rebajo del separador roscado.

Por lo general, las chapas de menos de .090” de espesor no se ven afectadas, ya que el espacio entre el punzón y la matriz es lo suficientemente pequeño para evitar orificios en forma de campana con diámetros del lado de la matriz que excedan los diámetros recomendados para orificios de sujetador. Para paneles más gruesos, se deben instalar insertos autosujetables en el lado de la matriz del orificio, o hay que perforar el orificio con un tamaño menor y escariarlo hasta alcanzar el diámetro adecuado.

Orificios cortados con láser

En volúmenes de producción más pequeños, un método popular para formar orificios en chapas consiste en fundir, quemar o vaporizar el metal con un láser de alta potencia (figura 5). Una investigación de fallas de instalación de tuercas autosujetables y separadores roscados en chapas con orificios cortados con láser reveló que se requería una cantidad inusualmente grande de presión para asentar los insertos durante la instalación, lo que dio como resultado tuercas deformadas con roscas apretadas y separadores roscados que no permanecían asegurados. Debido a que durante el proceso de corte por láser la chapa metálica se calienta a temperaturas de fusión y se deja enfriar al aire, se crea una zona afectada por el calor de mayor dureza alrededor del perímetro de los orificios.

Para verificar este fenómeno, se montaron, pulieron y probaron microdurezas en los bordes de los orificios de acero con bajo contenido de carbono de diferentes espesores con orificios cortados con láser en ambos lados de las muestras usando una prueba de dureza Knoop. Bajo una fuerza predeterminada, se presionó una punta de diamante piramidal en la superficie pulida durante un tiempo de permanencia específico. Las áreas de las muescas resultantes se midieron en un microscopio; se usaron para correlacionar la dureza Knoop; y, en este caso, se convirtieron a una dureza de escala Rockwell B (figura 6). Por lo general, la dureza máxima de la chapa es HRB 80 para insertos autosujetables fabricados con acero al carbono tratado térmicamente y HRB 70 para insertos de acero inoxidable serie AISI 300. En la figura 7, se muestran aumentos significativos en la dureza de la chapa metálica para cuatro espesores de chapa diferentes mientras se lleva a cabo el desplazamiento progresivo hacia los bordes del orificio como resultado del corte con láser de los orificios. En resumen, la dureza del borde del orificio de tres de las muestras superó o casi superó la dureza de chapa recomendada para insertos de acero al carbono tratado con calor, mientras que todas las muestras excedieron la dureza de chapa recomendada para insertos de acero inoxidable de la serie 300.

La recomendación para los orificios cortados con láser es similar a la de los orificios perforados: crear un orificio de tamaño inferior y escariarlo hasta alcanzar el diámetro correcto. Sin embargo, con los orificios cortados con láser, la zona afectada por el calor se debe quitar. Debido a que hay muchos factores que pueden afectar la dureza resultante y la extensión de la zona afectada por el calor, como el tipo de material y el espesor de la chapa metálica, y la velocidad de corte y la temperatura del láser, puede ser difícil estimar la cantidad de material que se quitará. La prueba de referencia es una posible solución para establecer una especificación de extracción de material.

Figura 5. Un láser de alta potencia corta un orificio en una chapa metálica.
Figura 6. (Superior) Imagen microscópica del orificio cortado con láser de la muestra montada. (Inferior) Detalle de muescas de prueba de microdureza.

Conclusión

Para una instalación adecuada de los insertos autosujetables, su material debe ser significativamente más duro que la chapa metálica y el orificio de la chapa debe tener un diámetro de tolerancia ajustado que sea unas milésimas más grande que el sujetador con el fin de crear una unión autosujetable permanente. La perforación y el corte por láser, que son dos métodos populares para crear orificios en chapas gruesas, pueden violar estos principios creando orificios de gran tamaño o aumentando la dureza de la chapa más allá de los límites recomendados, lo que conduce a insertos mal asegurados. Siguiendo algunos pasos de fabricación adicionales, estos orificios se pueden modificar para uso con insertos autosujetables.

Gregg V. Summers, M.S.E., P.E.
Director de desarrollo de productos


Gregg Summers es el director de desarrollo de productos de PENCOM, Inc., un diseñador, fabricante y proveedor líder mundial de elementos de montaje fabricados y personalizados. Tiene más de 17 años de experiencia en el diseño y prueba de conexiones mecánicas y insertos.