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Memorias de la Unidad 2 | Jorge Luis Garcia Reza
Contenido
Introducción. ....................................................................................................................................... 1
1. Métodos de unión ...................................................................................................................... 1
2. Definición de tornillos y pernos .................................................................................................. 4
Tornillos. ......................................................................................................................................... 4Perno ............................................................................................................................................... 4
3. Normas de los Tipos de roscas y tornillos .................................................................................. 5
Representación, acotación y designación de piezas normalizadas ................................................ 6
Designación de los tornillos ............................................................................................................ 6
4. Nomenclatura de roscas ............................................................................................................. 8
5. Terminología de roscas ............................................................................................................. 11
Series de roscas estándar ............................................................................................................. 13
Ajustes ........................................................................................................................................... 16
6. Fuerza en tornillos .................................................................................................................... 17
Fuerzas en una junta ..................................................................................................................... 17
Fuerzas y deformaciones en una junta, precarga del perno ........................................................ 19
7. Cargas en los pernos ................................................................................................................. 22
8. Resistencia en pernos ............................................................................................................... 24
9. Par de torsión en tornillos ........................................................................................................ 26
Par de apriete................................................................................................................................ 26
Esfuerzo de apriete ....................................................................................................................... 27
10. Símbolos de soldadura ............................................................................................................. 29
11. Esfuerzos en uniones soldadas sujetas a torsión ..................................................................... 33
12. Esfuerzos en uniones soldadas sujetas a flexión ...................................................................... 38
13. Resistencia de las uniones soldadas ......................................................................................... 41
14. Seguridad en la soldadura ........................................................................................................ 45
Riesgos de accidente ..................................................................................................................... 45
Riesgos higiénicos ......................................................................................................................... 45Sistemas de prevención y protección ........................................................................................... 46
Contactos eléctricos directos e indirectos ................................................................................ 46
Radiación ultravioleta y luminosas ............................................................................................ 46
Proyecciones y quemaduras ..................................................................................................... 47
Exposición a humos y gases ...................................................................................................... 47
Normas de seguridad .................................................................................................................... 48
Puesta a tierra ........................................................................................................................... 48
Conexiones y cables .................................................................................................................. 49
Equipo y ropa ................................................................................................................................ 49
Conclusiones. .................................................................................................................................... 50
Referencias ........................................................................................................................................ 51
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Figura 1.1
Figura 1.2
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Figura 1.3
http://www.utp.edu.co/~lvanegas/disI/Cap8.pdf
http://www.utp.edu.co/~lvanegas/disI/Cap8.pdfhttp://www.utp.edu.co/~lvanegas/disI/Cap8.pdfhttp://www.utp.edu.co/~lvanegas/disI/Cap8.pdf
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2. Definición de tornillos y pernos
Tornillos.
Son elementos roscados cuya función mecánica es la unión de dos o más piezas
entre sí. Esta unión, normalmente fija y desmontable, puede tener lugar por:
1. Apriete. Cuando el tornillo,
por medio de su cabeza, ejerce la
presión que garantiza la unión
entre las piezas.
2. Presión. Cuando el tornillo,
por medio del extremo de su
vástago, presiona contra una
pieza y produce su inmovilización.
3. Guía. Cuando el tornillo, por
medio del extremo de su vástago,
asegura una posición determinada
entre las piezas, permitiendo, no
obstante, cierto grado de libertad.
http://www.vc.ehu.es/Dtecnico/tema12_05.htm
Perno
El perno o espárrago es una pieza metálica larga de sección constante cilíndrica,
normalmente hecha de acero o hierro. Está relacionada con el tornillo pero tiene un
extremo de cabeza redonda, una parte lisa, y otro extremo roscado para la chaveta,tuerca o remache, y se usa para sujetar piezas en una estructura, por lo general de
gran volumen.
Figura 2.1
http://www.vc.ehu.es/Dtecnico/tema12_05.htmhttp://www.vc.ehu.es/Dtecnico/tema12_05.htmhttps://es.wikipedia.org/wiki/Acerohttps://es.wikipedia.org/wiki/Hierrohttps://es.wikipedia.org/wiki/Hierrohttps://es.wikipedia.org/wiki/Tornillohttps://es.wikipedia.org/wiki/Roscadohttps://es.wikipedia.org/wiki/Remachehttps://es.wikipedia.org/wiki/Remachehttps://es.wikipedia.org/wiki/Construcci%C3%B3nhttps://es.wikipedia.org/wiki/Construcci%C3%B3nhttps://es.wikipedia.org/wiki/Construcci%C3%B3nhttps://es.wikipedia.org/wiki/Remachehttps://es.wikipedia.org/wiki/Roscadohttps://es.wikipedia.org/wiki/Tornillohttps://es.wikipedia.org/wiki/Hierrohttps://es.wikipedia.org/wiki/Acerohttp://www.vc.ehu.es/Dtecnico/tema12_05.htm
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Figura 2.2
https://es.wikipedia.org/wiki/Perno
3. Normas de los Tipos de roscas y tornillos
En la tabla que se presenta a continuación, se indican los organismos de
normalización de varias naciones.
https://es.wikipedia.org/wiki/Pernohttps://es.wikipedia.org/wiki/Perno
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Tabla 3.1
PAIS ABREVIATURA DE LA
NORMA ORGANISMO NORMALIZADOR
Internacional ISO Organización Internacional de Normalización.
España UNE Instituto de Racionalización y Normalización.
Alemania DIN Comité de Normas Alemán.
Rusia GOSTOrganismo Nacional de Normalización
Soviético.
Francia NF Asociación Francesa de Normas.
Inglaterra BSI Instituto de normalización Ingles.
Italia UNI Ente Nacional Italiano de Unificación.
América USASIInstituto de Normalización para los Estados
de América.
Representación acotación y designación de piezas normalizadas
En la inmensa diversidad de mecanismos y maquinas en general, una gran cantidad
de piezas accesorias que los componen, tienen unas formas y dimensiones ya
predeterminadas en una serie de normas, es decir, son piezas normalizadas.
En general, la utilización de piezas normalizadas facilita en gran medida la labor de
delineación, ya que, al utilizar este tipo de piezas, evitamos tener que realizar sus
correspondientes dibujos de taller. Estas normas especificaran: forma, dimensiones,
tolerancias, materiales, y demás características técnicas.
Designación de los tornillos
Las roscas se designan mediante códigos. La figura 8.10 ilustra la designación de
las roscas UNS y de las roscas métricas. Cuando la rosca es izquierda, se indica
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LH en la designación, de lo contrario no se indica la dirección de la rosca, ya que
las roscas derechas son las preestablecidas.
Figura 3.1
Básicamente, la designación de un tornillo incluye los siguientes datos: tipo de
tornillo según la forma de su cabeza, designación de la rosca, longitud y norma que
lo define. A estos datos se pueden añadir otros, referentes a la resistencia del
material, precisión, etc.
Ejemplo: Tornillo hexagonal M20 x 2 x 60 x To DIN 960.mg 8.8
Y al analizar cada elemento vemos que.
Denominación o nombre: Tornillo Hexagonal
Designación de la Rosca: M20 x 2
Longitud del vástago: 60
To: Cabezas in saliente en forma de plato
Norma que especifica la forma y característica del tornillo: DIN 960
mg: Ejecución y precisión de medidas
8.8: clase de resistencia o características mecánicas.
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La longitud que interviene en la designación es la siguiente:
En general, la longitud indicada
se corresponde con la longitud
total del vástago. Para tornillos con extremo con
tetón, la longitud indicada
incluye la longitud del tetón.
Para tornillos de cabeza
avellanada, la longitud indicada
es la longitud total del tornillo.
http://html.rincondelvago.com/roscas-y-tornillos.html
4. Nomenclatura de roscas
La designación o nomenclatura de la rosca es la identificación de los principales
elementos que intervienen en la fabricación de una rosca determinada, se hace por
medio de su letra representativa e indicando la dimensión del diámetro exterior y el
paso. Este último se indica directamente en milímetros para la rosca métrica,
mientras que en la rosca unificada y Witworth se indica a través de la cantidad de
hilos existentes dentro de una pulgada.
Por ejemplo, la rosca M 3,5 x 0,6 indica una rosca métrica normal de 3,5 mm de
diámetro exterior con un paso de 0,6 mm. La rosca W 3/4 ''- 10 equivale a una rosca
Witworth normal de 3/4 pulg de diámetro exterior y 10 hilos por pulgada.
Figura 3.2
http://html.rincondelvago.com/roscas-y-tornillos.htmlhttp://html.rincondelvago.com/roscas-y-tornillos.htmlhttp://html.rincondelvago.com/roscas-y-tornillos.html
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La designación de la rosca unificada se haced e manera diferente: Por ejemplo, una
nomenclatura normal en un plano de taller podría ser:
1/4 - 28 UNF - 3B - LH
Y al examinar cada elemento se tiene que:
1/4 de pulgada es el diámetro mayor nominal de la rosca.
28 es el número de rosca por pulgada.
UNF es la serie de roscas, en este caso unificada fina.
3B: el 3 indica el ajuste (relación entre una rosca interna y una externa cuando se
arman); B indica una tuerca interna. Una A indica una tuerca externa.
LH indica que la rosca es izquierda. (Cuando no aparece indicación alguna se
supone que la rosca es derecha)
La tabla siguiente entrega información para reconocer el tipo de rosca a través de
su letra característica, se listan la mayoría de las roscas utilizadas en ingeniería
mecánica
Tabla 4.1
Símbolos de roscado más comunes Denominación usual Otras
American Petroleum Institute API
British Association BA
International Standards Organisation ISO
Rosca para bicicletas C
Rosca Edison E
Rosca de filetes redondos Rd
Rosca de filetes trapezoidales Tr
Rosca para tubos blindados PG Pr
Rosca Whitworth de paso normal BSW W
Rosca Whitworth de paso fino BSF
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Rosca Whitworth cilíndrica para tubos BSPT KR
Rosca Whitworth BSP R
Rosca Métrica paso normal M SI
Rosca Métrica paso fino M SIF
Rosca Americana Unificada p. normal UNC NC, USS
Rosca Americana Unificada p. fino UNF NF, SAE
Rosca Americana Unificada p.exrafino UNEF NEF
Rosca Americana Cilíndrica para tubos NPS
Rosca Americana Cónica para tubos NPT ASTP
Rosca Americana paso especial UNS NS
Rosca Americana Cilíndrica "dryseal" para tubos NPSF
Rosca Americana Cónica "dryseal" para tubos NPTF
Con respecto al sentido de giro, en la designación se indica “izq.” si es una rosca de
sentido izquierdo, no se indica nada si es de sentido derecho. De forma similar, si
tiene más de una entrada se indica "2 ent" o "3 ent". Si no se indica nada al respecto,
se subentiende que se trata de una rosca de una entrada y de sentido de avance
derecho.
En roscas de fabricación norteamericana, se agregan más símbolos para informar
el grado de ajuste y tratamientos especiales
Es posible crear una rosca con dimensiones no estándares, pero siempre es
recomendable usar roscas normalizadas para adquirirlas en ferreterías y facilitar la
ubicación de los repuestos. La fabricación y el mecanizado de piezas especiales
aumenta el costo de cualquier diseño, por lo tanto, se recomienda el uso de las
piezas que están en plaza.
http://html.rincondelvago.com/roscas-y-tornillos.html
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5. Terminología de roscas
Hay dos tipos de roscas normalizadas para tornillos de unión: la serie de roscas
unificada (Unified National Standard, UNS) y la serie de roscas métricas, la cual
ha sido definida por la ISO. La figura 5.1 muestra la forma y las dimensiones de las
roscas UNS y métricas; las formas de estos tipos de roscas son similares, pero
como las dimensiones son diferentes, éstas no son intercambiables.
Figura 5.1
Se muestran los tres diámetros de la rosca, el mayor, d , el menor, dr , y el de paso,
dp, el cual es igual a:
Una rosca está constituida por hilos o filetes que “se enrollan” en forma de hélice.
El paso, p, de la rosca es la distancia entre hilos adyacentes. El número de hilos por
pulgada, Nh, es el número de filetes o pasos que hay contenidos en una longitud
igual a una pulgada. El número de hilos por pulgada es el recíproco del paso, tal
como se especifica en la figura 5.1, la cual también suministra algunas relaciones
entre las dimensiones de las roscas. Tanto para las roscas unificadas como para
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las métricas, la dimensión nominal es el diámetro mayor (o exterior) de una rosca
externa. El ángulo entre los flancos de los filetes es de 60°. Las raíces y crestas de
los filetes son planas, con el fin de reducir la concentración de esfuerzos que
generarían las esquinas agudas; las normas permiten que las crestas y raíces sean
redondeadas, debido a que las herramientas para la fabricación de los tornillos
sufren de desgaste.
Una rosca puede tener una o varias entradas (inicios). Una rosca de una entrada
podría imaginarse como un cordón enrollado en forma de hélice sobre una varilla
cilíndrica; una rosca de dos entradas sería equivalente a tomar dos cordones
(imagíneselos de diferente color) y enrollarlos simultáneamente en forma de hélice.
Podemos definir ahora el avance, l , de una rosca como la distancia recorrida por
una tuerca cuando ésta se gira una vuelta; si la rosca es simple (de una entrada) el
avance es igual al paso (l = p), mientras que, si la rosca es múltiple, el avance es
igual al número de entradas multiplicado por el paso. La ventaja de una rosca de
varias entradas es que el montaje y desmontaje son más rápidos, pero tiene la gran
desventaja de que se afloja mucho más fácilmente, ya que posee un mayor ángulo
de la hélice; debido a esto, rara vez se utilizan. La figura 4.2 muestra roscas de una
y cinco entradas; se puede observar el mayor ángulo de la hélice de la rosca de
cinco entradas.
Figura 5.2
Las roscas pueden ser externas, como en el caso de los tornillos, e internas, como
las tuercas y perforaciones roscadas, tal como se aprecia en la figura 5.3.a y b.
Además, las roscas pueden ser derechas e izquierdas (figura 5.3). Una rosca es
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derecha si al girar una tuerca en sentido horario, ésta se aleja de usted, de lo
contrario es izquierda.
Figura 5.3
Series de roscas estándar
Las roscas UNS tienen tres series estándar de familias de paso de rosca:
Roscas bastas. Se designan como UNC (Unificada Nacional Ordinaria). Estas
roscas son de paso grande (figura 5.4.a) y se usan en aplicaciones ordinarias,
en las cuales se requiera un montaje y desmontaje fácil o frecuente. También se
usan en roscas de materiales blandos y frágiles, ya que en las roscas de
menores pasos (y filetes más pequeños) podría producirse el barrido (cortadura)de los filetes. Estas roscas no son adecuadas cuando exista vibración
considerable, ya que la vibración tiende a aflojar fácilmente la tuerca.
Roscas finas. UNF (Unificada Nacional Fina). Estas roscas son adecuadas
cuando existe vibración, por ejemplo, en automóviles y aeronaves, ya que al
tener menor paso poseen un menor ángulo de la hélice. Deben evitarse en
agujeros roscados de materiales frágiles.
Roscas extrafinas. UNFE (Unificada Nacional Extrafina). Comparadas con lasroscas bastas y finas, éstas tienen unos pasos muy pequeños. Son
particularmente útiles en equipos aeronáuticos, debido a las altas vibraciones
involucradas, y para roscas en piezas de pared delgada.
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Figura 5.4
Las dimensiones principales de las roscas bastas u ordinarias (UNC) y finas (UNF)
se muestran en la tabla 5.1. El tamaño (primera columna) de una rosca equivale al
diámetro mayor de ésta, excepto para diámetros nominales menores de ¼ in, para
los cuales el tamaño se designa mediante un número de 0 a 12. Como un tornillo
no tiene sección uniforme, debe encontrarse un área equivalente para calcular el
esfuerzo debido a una carga de tracción; esta área se denomina área de esfuerzo
a tracción, At (véase la tabla 5.1), y está dada por:
es decir, At es el área de un círculo cuyo diámetro es el promedio entre el diámetro
de paso y el diámetro menor; se ha encontrado experimentalmente que esta área
se debe calcular aproximadamente de esta
manera. El ancho entre caras de la tuerca y
de la cabeza del tornillo, AT, (última columna
de la tabla 5.1) se muestra en la figura 5.5.
Figura 5.5
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Tabla 5.1
Pasando ahora a las roscas métricas de ISO, éstas se dividen en dos series, rosca
basta y rosca fina, las cuales tienen características y aplicaciones similares a lasseries UNC y UNF. La tabla 5.2 muestra las dimensiones principales de algunas
roscas métricas.
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Tabla 5.2
Ajustes
Con el fin de obtener diferentes ajustes para las diferentes aplicaciones, las normas
UNS e ISO contemplan diferentes tolerancias para las roscas.
Las roscas UNS tienen tres clases de ajustes:
1A, 1B. Los ajustes clase 1 se obtienen cuando las tolerancias son grandes. Se
utilizan para reducir los costos en aplicaciones “domésticas”, donde no se
requiera precisión. Permiten un montaje y desmontaje rápido y fácil.
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2A, 2B. Las tolerancias de estos ajustes son más pequeñas, lo que permite
obtener una mejor precisión. Son las más utilizadas para maquinaria.
3A, 3B. El ajuste clase 3 es un ajuste fino de juego nulo. Se utilizan sólo para
cumplir requisitos de exactitud.
Las letras A y B se usan para denotar rosca externa e interna respectivamente.
http://www.utp.edu.co/~lvanegas/disI/Cap8.pdf
6. Fuerza en tornillosLa función de un perno es la de unir dos o más piezas. En esta sección se analizarán
las deformaciones, cargas y ecuaciones que rigen la unión de piezas mediante
pernos.
Fuerzas en una junta
La figura 6.1 muestra una tubería unida mediante bridas y pernos, en la cual usa
una empaquetadura para evitar fugas. La figura 6.2 muestra el diagrama de cuerpolibre de un corte del sistema. Debido a la presión interna en la tubería, se genera
una fuerza que trata de separar las bridas, la cual se reparte entre los pernos; la
fuerza que le corresponde a cada uno de ellos se denomina fuerza externa, Fe, y
está dada por:
donde nb es el número de pernos y FeT es la fuerza total que trata de separar las
bridas. Esta ecuación es válida si la fuerza total se distribuye de manera uniforme,
lo cual podría ocurrir si en el sistema existe simetría axial.
http://www.utp.edu.co/~lvanegas/disI/Cap8.pdfhttp://www.utp.edu.co/~lvanegas/disI/Cap8.pdfhttp://www.utp.edu.co/~lvanegas/disI/Cap8.pdf
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Figura 6.1
Figura 6.2
Debido al apriete de los pernos, las bridas se encuentran comprimidas. La fuerza
de compresión sobre las partes a unir puede descomponerse en nb fuerzas; cada
una de éstas es la que le “corresponde” a cada perno y se denomina fuerza en las
partes a unir , Fc . Debido a la acción de Fe y Fc , el perno queda sometido a una
fuerza:
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donde Fb es la fuerza de tracción en el perno. Nótese que esta ecuación equivale a
la condición de equilibrio de fuerzas en el sistema de la figura 6.2.
Fuerzas y deformaciones en una junta precarga del perno
Dentro del límite de proporcionalidad, las fuerzas en el perno y en las partes a unirson proporcionales a las deformaciones. Dentro de este límite, para el perno y las
partes se cumple que:
donde S = F / A, ya que el perno y las partes a unir están sometidas a carga axial, y
ε = / L. Entonces:
La constante k se denomina constante elástica, ya que es la relación entre la
fuerza y la deformación, como ocurre con la constante de un resorte. Podemos
plantear la ecuación anterior para el perno y para las partes a unir:
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Las ecuaciones anteriores indican que la relación entre la fuerza y la deformación
es lineal, tal como se muestra en la figura 5.3.
Figura 6.3
Cuando se unen dos o más partes, los pernos deben apretarse suficientemente con
el fin de evitar la separación de éstas cuando las fuerzas en el sistema sean
aplicadas; esto se denomina precarga del perno. Al apretar éste, su fuerza de
tracción y su deformación crecen de acuerdo con la línea PA de la figura 6.3.a,
desde P hasta A. La fuerza en el perno al terminarse el apriete se denomina fuerza
inicial o fuerza de apriete, Fbi . Las partes a unir también se deforman (se
comprimen) a medida que se aprieta el perno. Al terminar el apriete, y antes de
aplicar la fuerza externa (cuando Fe = 0), de la ecuación de equilibrio se obtiene
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que Fbi = Fci = Fi (punto A, figuras 6.3.a y b), donde Fci es la fuerza inicial en las
partes a unir por perno.
Al aplicar la carga externa, el perno continua alargándose y aumentado su fuerza
desde A en la dirección A-M. Las partes a unir, por el contrario, se descomprimen ytanto su fuerza como su deformación se reducen desde A en la dirección A-C; si se
alcanzara el punto C las partes a unir comenzarían a separarse, lo cual es
indeseable.
Durante el apriete, la tuerca avanza sobre el perno haciendo que éste se alargue y
que las partes a unir se compriman cantidades diferentes. Una vez el perno es
apretado, la tuerca no gira y, por lo tanto, la fuerza externa produce un alargamiento
del perno igual al acortamiento de las partes a unir (descompresión). Debido a quelas deformaciones son iguales (excepto que una es positiva y la otra negativa),
puede construirse el diagrama de la figura 6.4.
Figura 6.4
http://www.utp.edu.co/~lvanegas/disI/Cap8.pdf
http://www.utp.edu.co/~lvanegas/disI/Cap8.pdfhttp://www.utp.edu.co/~lvanegas/disI/Cap8.pdfhttp://www.utp.edu.co/~lvanegas/disI/Cap8.pdf
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7. Cargas en los pernosUn perno puede soportar diferentes tipos de carga (axial, flexión, torsión y
cizalladura), aunque lo más común es que soporte sólo tracción. En el ejemplo de
la figura 7.1, los pernos se usan para fijar una chumacera al pedestal, y éste a una
pared metálica. Debido al apriete de los pernos, éstos están sometidos a tracción.
La forma de aplicación de las cargas y la inexactitud de las piezas (por ejemplo, si
las arandelas no quedan paralelas) podrían generar flexión, aunque ésta tiende a
ser muy pequeña en la mayoría de los casos. De manera similar, la carga de torsión
generada durante el apriete tiende a desaparecer durante el trabajo y,
generalmente, no se tiene en cuenta.
Figura 7.1
El apriete de los pernos produce fuerzas normales de compresión en las superficies
de las partes a unir. Dichas fuerzas normales tienen la capacidad de generar fuerzas
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de fricción para equilibrar algunas de las fuerzas externas. Sin embargo,
dependiendo de la magnitud de las fuerzas paralelas a las superficies en contacto
de las partes a unir y de las holguras en el montaje de los pernos, éstos podrían
estar sometidos a cortante directo. Para que los pernos no queden sometidos a
cortante directo, pueden usarse clavijas (pasadores). Éstos se encargarían de
posicionar las partes a unir y de soportar las fuerzas cortantes, mientras que los
pernos estarían sometidos sólo a tracción.
Por otro lado, las cargas pueden ser de diferente carácter (estática, dinámica:
variable o de impacto). Entonces, en el caso más general, un perno soporta cargas
combinadas variables. Cuando se conoce la fuerza de apriete sobre el perno, que
debe ser mayor o igual al valor obtenido con la ecuación anterior puede calcularse
la fuerza total sobre el perno Fbt ; con esta última y las demás cargas que actúan
sobre el perno (cortante, flexión y torsión), puede aplicarse una ecuación adecuada
para su diseño, de acuerdo con las teorías y ecuaciones dadas en los primeros
capítulos del libro. Sin embargo, en ciertas ocasiones la fuerza de apriete sobre el
perno es poco predecible, ya que una persona al apretar un tornillo con una llave
convencional, podrá darle un apriete grande o pequeño, dependiendo de su fuerza
y criterio.
Si no se conoce la fuerza inicial, no podrá calcularse la fuerza total y el diseño
deberá ser empírico.
Existen, entonces, dos formas de calcular pernos:
(i ) Diseño de pernos con tracción inicial conocida
(ii ) Diseño de pernos con tracción inicial desconocida
En ciertas aplicaciones es necesario controlar el apriete de los tornillos. En culatas
de motores de combustión interna y en máquinas de alta velocidad como turbinas y
centrífugas, las deformaciones producidas durante el apriete de los tornillos deben
controlarse con el fin de evitar excentricidades o pandeos, los cuales perjudicarían
el buen funcionamiento de las máquinas. Con el fin de lograr cierta fuerza de apriete,
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o al menos lograr cierta uniformidad en el apriete de los pernos de un sistema, se
puede usar un torquímetro, el cual es una llave especial que controla el par de
apriete y, por consiguiente, la fuerza de apriete aplicada a los pernos. Los
torquímetros no se usan en todas las aplicaciones; en muchos casos, los pernos se
aprietan con una llave convencional (que no controla el par de torsión), cuyo par, al
ser controlado por el operario, es desconocido y puede estar en un rango amplio.
Esto conlleva a que la tracción inicial sea desconocida.
http://www.utp.edu.co/~lvanegas/disI/Cap8.pdf
8. Resistencia en pernos
El diseño de pernos se basa en la resistencia límite a la tracción (proof strength),
Sp, que es el máximo esfuerzo que puede soportar el perno sin experimentar
deformación permanente. De acuerdo con los datos de la tabla 8.1, para la mayoría
de los grados SAE la resistencia límite a la tracción es aproximadamente el 90% de
la resistencia a la fluencia especificada al 0.2% de deformación permanente. Las
resistencias y características del material (de acero) de los pernos se especifican
de acuerdo con clases o grados, los cuales han sido definidos por la SAE, ASTM e
ISO. La tabla 8.1 muestra información de los grados SAE para pernos: 1, 2, 4, 5,
5.2, 7, 8 y 8.2. De la tabla se puede observar que para grados mayores las
resistencias tienden a ser mayores. Similarmente, la tabla 8.2 muestra información
de las clases para pernos métricos.
http://www.utp.edu.co/~lvanegas/disI/Cap8.pdfhttp://www.utp.edu.co/~lvanegas/disI/Cap8.pdfhttp://www.utp.edu.co/~lvanegas/disI/Cap8.pdf
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Tabla 8.1
Tabla 8.2
Los grados y clases de los pernos se pueden distinguir de acuerdo con las marcas
en la cabeza, tal como se muestra en las figuras 8.1 y 8.2.
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Figura 8.1
Figura 8.2
http://www.utp.edu.co/~lvanegas/disI/Cap8.pdf
9. Par de torsión en tornillos
Par de apriete
Con el fin de lograr que el perno adquiera determinada fuerza inicial, debe calcularse
un par de apriete. Se propone usar la siguiente ecuación para calcular el par de
apriete, Ti , necesario para producir una fuerza inicial Fi :
http://www.utp.edu.co/~lvanegas/disI/Cap8.pdfhttp://www.utp.edu.co/~lvanegas/disI/Cap8.pdfhttp://www.utp.edu.co/~lvanegas/disI/Cap8.pdf
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donde Fi es la fuerza inicial, d es el diámetro nominal (mayor) del perno y Ki es el
coeficiente de par de torsión.
El coeficiente de par de torsión depende del coeficiente de fricción entre la tuerca y
el tornillo; por lo tanto, depende de si el tornillo está lubricado o no. Es convenienteque el tornillo esté lubricado en el momento del apriete, con el fin de reducir el par
de torsión requerido, así como el esfuerzo cortante que se genera por la torsión.
Existen varias recomendaciones para el valor de Ki . De acuerdo con datos
suministrados en la literatura, para pernos lubricados, Ki podría tomarse igual a
0.15, 0.21 ó 0.18 a 0.208. Para pernos no lubricados Ki podría tomarse igual a 0.15
ó 0.208 a 0.3; esto da una idea de la dispersión de los datos experimentales. Podría
tomarse:
El par de apriete produce un esfuerzo cortante equivalente al calculado con 0.4 T
que generalmente se ignora ya que probablemente desaparece en el trabajo.
Esfuerzo de apriete
Es práctica común que los pernos tengan una gran precarga. El esfuerzo de tracción
que se obtiene en el apriete es muy cercano a la resistencia límite del material, Sp.
Una de las razones de esto es que, al efectuar una gran precarga del perno, la
fuerza externa no logra aumentar mucho el esfuerzo en éste; esto implica que, si el
esfuerzo es variable, la fluctuación de éste es pequeña; además, si el perno no falla
durante el apriete es poco probable que falle en servicio. Budynas y Nisbett
recomiendan que:
para conexiones reutilizables
para conexiones permanentes
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donde Sp es la resistencia límite del perno (dada en las tablas 8.1 y 8.2) y Si es el
esfuerzo inicial, es decir el esfuerzo normal en el perno al terminar el apriete, el cual
está dado por:
http://www.utp.edu.co/~lvanegas/disI/Cap8.pdf
http://www.utp.edu.co/~lvanegas/disI/Cap8.pdfhttp://www.utp.edu.co/~lvanegas/disI/Cap8.pdfhttp://www.utp.edu.co/~lvanegas/disI/Cap8.pdf
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10. Símbolos de soldadura
Una estructura soldada se fabrica soldando en conjunto un grupo de formas de
metal, cortadas con configuraciones particulares. Durante la soldadura, las diversas
partes se mantienen en contacto con firmeza, a menudo mediante abrazaderas osujetadores. Las soldaduras deben especificarse con precisión en los dibujos de
trabajo, lo cual se hace mediante los símbolos de soldadura, como los de la figura
10.1, los cuales han sido estandarizados por la American Welding Society (AWS).
La flecha de este símbolo apunta hacia la unión que se va a soldar. El cuerpo del
símbolo contiene todos los elementos que se consideran necesarios:
• Línea de referencia
• Flecha
Figura 10.1 Representación simbólica de soldadura estándar AWS con la ubicación de los elementos delsímbolo.
• Símbolos básicos de soldadura, como los de la figura 10.2
• Dimensiones y otros datos
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• Símbolos complementarios
• Símbolos de acabado
• Cola de la flecha
• Especificación o proceso
El lado de la flecha de una unión es la línea, lado, área o elemento próximo al cual
apunta la flecha. El lado opuesto de la flecha es el otro lado.
En las figuras de la 10.3 a la 10.6 se ilustran los tipos de soldaduras que los
diseñadores emplean con más frecuencia. En el caso de elementos generales demáquinas, la mayoría de las soldaduras son de filete, aunque las soldaduras a tope
se emplean mucho en el diseño de recipientes a presión. Por supuesto, las partes
por unir deben colocarse de manera que haya un espacio libre suficiente para la
operación de soldadura. Si se requieren uniones inusuales debido a un espacio libre
insuficiente, o por la forma de la sección, el diseño quizá sea deficiente y el
diseñador deberá comenzar de nuevo y tratar de establecer otra solución más
adecuada.
Como en la operación de soldadura se emplea calor, se experimentan cambios
metalúrgicos en el metal de base, cerca de la soldadura. Asimismo, se introducen
esfuerzos residuales a causa de la sujeción o unión de las piezas o, algunas veces,
debido al orden de la soldadura. Por lo general, estos esfuerzos residuales no son
tan severos como para causar problemas; en algunos casos se ha determinado que
un tratamiento térmico ligero, después de la soldadura, es útil para liberarlos.
Cuando las partes que se van a soldar son gruesas, resulta beneficioso someterlas
a un precalentamiento. Si la confiabilidad del componente debe ser muy alta, es
necesario establecer un programa de pruebas para identificar qué cambios o
adiciones son necesarias con el objeto de asegurar la mejor calidad.
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Figura 10.2 Símbolos de soldadura por arco y autógena.
Figura 10.3 Soldaduras de filete. a) El número indica el tamaño del cateto; la flecha debe apuntar sólo hacia
una de las soldaduras cuando ambos lados son iguales. b) El símbolo indica que las soldaduras sonintermitentes y con longitud de 60 mm y con una distancia de 200 mm entre centros.
Figura 10.4 El círculo en el símbolo de la soldadura señala que la soldadura debe ser circundante.
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Figura 10.5 Soldaduras a tope o de ranura: a) cuadrada soldada a tope a ambos lados; b) V simple con bisel a60° y abertura de la raíz de 2 mm; c) V doble; d) bisel sencillo.
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Figura 10.6 Soldaduras especiales de ranura: a) unión en T para placas gruesas; b) soldaduras en U y J para placas gruesas; c) soldadura en esquina (también puede tener un cordón de soldadura en el interior para mayorresistencia, pero no debe usarse para cargas pesadas); d) soldadura de borde para lámina de metal y cargasligeras.
Diseño en ingeniería mecánica de Shigley
11. Esfuerzos en uniones soldadas sujetas a torsión
En la figura 11.1 se ilustra un voladizo de longitud l soldado a una columna mediante
dos soldaduras de filete. La reacción en el soporte de un voladizo siempre consiste
en una fuerza cortante V y en un momento M. La fuerza cortante produce un cortante
primario en las soldaduras de magnitud
donde A es el área de la garganta de todas las soldaduras.
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El momento en el soporte produce un cortante secundario o una torsión de las
soldaduras, y dicho esfuerzo está dado por la ecuación
donde r es la distancia desde el centroide del grupo de soldaduras hasta el punto
en la soldadura de interés, y J es el segundo momento polar de inercia del área del
grupo de soldaduras respecto del centroide del grupo. Cuando se conocen los
tamaños de las soldaduras, se resuelven estas ecuaciones y los resultados se
combinan para obtener el esfuerzo cortante máximo. Observe que, por lo general, r
es la distancia más alejada del centroide del grupo de soldaduras.
En la figura 11.2 se muestran dos soldaduras en un grupo. Los rectángulos
representan las áreas de las gargantas de las soldaduras. La soldadura 1 tiene un
ancho de garganta b1 = 0.707h1, y la soldadura 2 un ancho de garganta d 2 =
0.707h2. Note que h1 y h2 son los tamaños respectivos de las soldaduras. El área
de la garganta de ambas soldaduras en conjunto es
El eje x de la figura 11.2 pasa por el centroide G1 de la soldadura 1. El segundo
momento del área respecto de él es
De manera similar, el segundo momento del área respecto de un eje a través de G1
paralelo al eje y está dado por
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Figura 11.1 Conexión para resistir momento, que produce torsión en las soldaduras.
Figura 11.2
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Así, el segundo momento polar del área de la soldadura 1 respecto de su propio
centroide es
De forma similar, el segundo momento polar del área de la soldadura 2 respecto de
su centroide es
El centroide G del grupo de soldaduras se ubica en
Usando de nuevo la figura 11.2, se observa que las distancias r 1 y r 2 desde G1 y G2
hasta G son, respectivamente
Ahora, mediante el teorema de los ejes paralelos, se determina que el segundo
momento polar del área del grupo de soldaduras es
La distancia r se mide desde G y el momento M se calcula con respecto a G.
El procedimiento inverso se tiene cuando se conoce el esfuerzo cortante permisible
y se desea encontrar el tamaño de la soldadura. El procedimiento usual consiste en
calcular un tamaño de soldadura probable y luego hacer iteraciones.
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Tabla 11.1 Propiedades torsionales de las soldaduras de filete*
SoldaduraÁrea de la
gargantaUbicación de G
Segundo
mom ento polar
unitario del área
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Diseño en ingeniería mecánica de Shigley
12. Esfuerzos en uniones soldadas sujetas a flexión
En la figura 12.1a hay un voladizo soldado a un soporte mediante soldaduras de
filete en la parte superior y en la inferior. Un diagrama de cuerpo libre de la viga
mostraría una reacción de fuerza cortante V y una reacción de momento M . La
fuerza cortante produce un cortante primario en las soldaduras de magnitud
donde A es el área total de la garganta.
El momento M induce una componente de esfuerzo cortante en la garganta de
0.707τ , donde están las soldaduras. Si se consideran las dos soldaduras de la figura
12.1b como líneas, se observa que el segundo momento del área unitaria es
El segundo momento del área I , con base en el área de la garganta de la soldadura,
es
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Ahora se determina que el esfuerzo cortante nominal en la garganta es
Figura 12.1 Voladizo de sección transversal rectangular soldado a un soporte en los bordes superior e inferior.
Tabla 12.1 Propiedades flexionantes de las soldaduras de filete*
SoldaduraÁrea de la
gargantaUbicación de G
Segundo
momento
unitario del área
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Diseño en ingeniería mecánica de Shigley
13. Resistencia de las uniones soldadas
Por lo general, la correspondencia entre las propiedades del electrodo y las del
metal de base no es tan importante como la rapidez y la habilidad del operador y la
apariencia de la unión terminada. Las propiedades de los electrodos varían mucho,
pero en la tabla 13.1 se enlistan las propiedades mínimas de algunas clases de
electrodos.
Al diseñar componentes soldadas es preferible seleccionar un acero que
proporcione una soldadura rápida y económica, aunque quizá requiera un sacrificio
de otras cualidades, como la maquinabilidad. En condiciones apropiadas, todos los
aceros se pueden soldar, pero se obtendrán mejores resultados si se eligen aceros
con una especificación UNS entre G10140 y G10230. Dichos aceros tienen una
resistencia a la tensión en la condición laminada en caliente, en el intervalo de 60 a
70 kpsi.
El diseñador puede elegir factores de seguridad o esfuerzos permisibles de trabajo
con más confianza si está consciente de los valores que otros han empleado. Uno
de los mejores estándares que se pueden usar es el código para la construcción de
edificios de la American Institute of Steel Construction (AISC).5 En la actualidad, los
esfuerzos permisibles se basan en el límite elástico del material, en vez de la
resistencia última; asimismo, el código permite usar una variedad de acerosestructurales ASTM, con límites elásticos que varían de 33 a 50 kpsi. A condición
de que la carga sea la misma, el código permite el mismo esfuerzo en el metal de
aporte y en el de base. Para estos aceros ASTM, Sy = 0.5Su. En la tabla 9-4 se
enlistan las fórmulas especificadas por el código para calcular estos esfuerzos
permisibles en varias condiciones de carga. Los factores de seguridad implicados
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se calculan con facilidad. Para tensión, n = 1/0.60 = 1.67. Para cortante, n =
0.577/0.40 = 1.44, al emplear la teoría de la energía de distorsión como el criterio
de falla.
Es importante observar que, con frecuencia, el material del electrodo es el materialpresente
más fuerte. Si una barra de acero AISI 1010 se suelda a una de acero 1018, el metal
de aporte en realidad es una mezcla del material del electrodo y de los aceros 1010
y 1018.
Además, en una barra estirada en frío soldada sus propiedades son sustituidas por
las pro- piedades de una barra laminada en caliente, en la vecindad de la soldadura.Por último, al recordar que el metal de aporte, por lo general, es el más fuerte,
verifique los esfuerzos en los metales base.
El código AISC para puentes, así como el código AWS, incluye esfuerzos
permisibles cuando hay cargas de fatiga. El diseñador no tendrá dificultad para usar
estos códigos, pero su naturaleza empírica tiende a ocultar el hecho de que se
establecieron mediante el mismo conocimiento de la falla por fatiga. Por supuesto,
en el caso de las estructuras consideradas por estos códigos, los esfuerzos realesno pueden exceder los esfuerzos permisibles; de otra manera, el diseñador resulta
legalmente responsable. Pero en general, los códigos tienden a ocultar el margen
de seguridad real implicado.
Se sugiere que se utilicen los factores de concentración de esfuerzo de fatiga que
se presentan en la tabla 13.3. Dichos factores se deben emplear para el metal base,
así como para el metal de aporte. En la tabla 13.4 se proporciona información de
carga constante y los tamaños mínimos de los filetes.
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Tabla 13.1 Propiedades mínimas del metal de aporte
Tabla 13.2 Esfuerzos permisibles del Código AISC para metal de aporte
Tabla 13.3 Factores de concentración del esfuerzo, Kfs
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Tabla 13.4 Cargas constantes permisibles y tamaños mínimos de soldadura de filete
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14. Seguridad en la soldadura
Riesgos de accidente
Los principales riesgos de accidente son los derivados del empleo de la corriente
eléctrica, las quemaduras y el incendio y explosión.
El contacto eléctrico directo puede producirse en el circuito de alimentación por
deficiencias de aislamiento en los cables flexibles o las conexiones a la red o a la
máquina y en el circuito de soldadura cuando está en vacío (tensión superior a 50
V).
El contacto eléctrico indirecto puede producirse con la carcasa de la máquina por
algún defecto de tensión.
Las proyecciones en ojos y las quemaduras pueden tener lugar por proyecciones
de partículas debidas al propio arco eléctrico y las piezas que se están soldando o
al realizar operaciones de descascarillado
La explosión e incendio puede originarse por trabajar en ambientes inflamables o
en el interior de recipientes que hayan contenido líquidos inflamables o bien al soldar
recipientes que hayan contenido productos inflamables.
Riesgos higiénicos
Básicamente son tres: las exposiciones a radiaciones ultravioleta y luminosas, la
exposición a humos y gases y la intoxicación por fosgeno.
Las exposiciones a radiaciones ultravioleta y luminosas son producidas por el arco
eléctrico.
La inhalación de humos y gases tóxicos producidos por el arco eléctrico es muyvariable en función del tipo de revestimiento del electrodo o gas protector y de los
materiales base y de aporte y puede consistir en exposición a humos (óxidos de
hierro, cromo, manganeso, cobre, etc.) y gases (óxidos de carbono, de nitrógeno,
etc.).
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Finalmente, puede ocurrir intoxicación por fosgeno cuando se efectúan trabajos
de soldadura en las proximidades de cubas de desengrase con productos clorados
o sobre piezas húmedas con dichos productos.
Sistemas de prevención y protección
Contactos eléctricos directos e indirectos
Pinzaportaelectrodos
La pinza debe ser la adecuada al tipo de electrodo utilizado y que además sujete
fuertemente los electrodos. Por otro lado, debe estar bien equilibrada por su cable
y fijada al mismo de modo que mantenga un buen contacto. Asimismo, el
aislamiento del cable no se debe estropear en el punto de empalme.
Circuitodeacometida
Los cables de alimentación deben ser de la sección adecuada para no dar lugar a
sobrecalentamientos. Su aislamiento será suficiente para una tensión nominal >
1000 V. Los bornes de conexión de la máquina y la clavija de enchufe deben estar
aislados.
Circuitodesoldadura
Los cables del circuito de soldadura al ser más largos deben protegerse contraproyecciones incandescentes, grasas, aceites, etc., para evitar arcos o circuitos
irregulares.
Carcasa
La carcasa debe conectarse a una toma de tierra asociada a un interruptor
diferencial que corte la corriente de alimentación en caso de que se produzca una
corriente de defecto.
Radiación ultravioleta y luminosas
Se deben utilizar mamparas de separación de puestos de trabajo para proteger al
resto de operarios. El material debe estar hecho de un material opaco o translúcido
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robusto. La parte inferior debe estar al menos a 50 cm del suelo para facilitar la
ventilación. Se debería señalizar con las palabras: PELIGRO ZONA DE
SOLDADURA, para advertir al resto de los trabajadores (figura 14.1).
Figura 14.1 Mampara de separación
Proyecciones y quemaduras
Se deben emplear mamparas metálicas de separación de puestos de trabajo paraque las proyecciones no afecten a otros operarios. El soldador debe utilizar pantalla
de protección. El filtro de cristal inactínico debe ser protegido mediante la colocación
en su parte anterior de un cristal blanco.
Exposición a humos y gases
Se debe instalar un sistema de extracción localizada por aspiración que capta los
vapores y gases en su origen con dos precauciones: en primer lugar, instalar las
aberturas de extracción lo más cerca posible del lugar de soldadura; en segundo,
evacuar el aire contaminado hacia zonas donde no pueda contaminar el aire limpio
que entra en la zona de operación. Describimos cuatro formas de instalar sistemas
de extracción localizada.
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La campana móvil es un sistema de aspiración mediante conductos flexibles. Hace
circular el aire sobre la zona de soldadura a una velocidad de al menos 0,5 m/s. Es
muy importante situar el conducto lo más cerca posible de la zona de trabajo (Figura
14.2).
Figura 14.2 Sistema de extracción por campana móvil
Normas de seguridad
Puesta a tierra
La instalación de las tomas de la puesta a tierra se debe hacer según las
instrucciones del fabricante. Es preciso asegurarse de que el chasis del puesto de
trabajo está puesto a tierra controlando en especial las tomas de tierra y no utilizar
para las tomas de la puesta a tierra conductos de gas, líquidos inflamables o
eléctricos.
La toma de corriente y el casquillo que sirve para unir el puesto de soldadura a la
fuente de alimentación deben estar limpios y exentos de humedad. Antes de
conectar la toma al casquillo se debe cortar la corriente. Una vez conectada se debe
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permanecer alejado de la misma. Cuando no se trabaje se deben cubrir con
capuchones la toma y el casquillo.
Conexiones y cables
Se debe instalar el interruptor principal cerca del puesto de soldadura para en casonecesario poder cortar la corriente. Instalar los principales cables de alimentación
en alto y conectarlos posteriormente.
Desenrollar el cable del electrodo antes de utilizarlo, verificando los cables de
soldadura para comprobar que su aislamiento no ha sido dañado y los cables
conductores para descubrir algún hilo desnudo. Verificar asimismo los cables de
soldadura en toda su longitud para comprobar su aislamiento, comprobando que el
diámetro del cable de soldadura es suficiente para soportar la corriente necesaria.
Hay que tener en cuenta que a medida que la longitud total del cable aumenta,
disminuye su capacidad de transporte de corriente. Por tanto, para según qué casos
se deberá aumentar el grosor del cable.
Se debe reemplazar cualquier cable de soldadura que presente algún tipo de
ligadura a menos de 3 m del porta electrodos. No utilizar tornillos para fijar
conductores trenzados pues acaban por desapretarse.
Equipo y ropa
El equipo de protección individual está compuesto por: pantalla de protección de la
cara y ojos; guantes de cuero de manga larga con las costuras en su interior; mandil
de cuero; polainas; calzado de seguridad tipo bota, preferiblemente aislante; casco
y/o cinturón de seguridad, cuando el trabajo así lo requiera.
La ropa de trabajo será de pura lana o algodón ignífugo. Las mangas serán largas
con los puños ceñidos a la muñeca; además llevará un collarín que proteja el cuello.
Es conveniente que no lleven bolsillos y en caso contrario deben poderse cerrar
herméticamente. Los pantalones no deben tener dobladillo, pues pueden retener las
chipas producidas, pudiendo introducirse en el interior del calzado de seguridad.
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http://www.insht.es/InshtWeb/Contenidos/Documentacion/FichasT
ecnicas/NTP/Ficheros/401a500/ntp_494.pdf
Conclusiones.
Sin duda en el diseño mecánico es de gran importancia conocer los sujetadores, ya
que toda máquina los contiene para poder unir sus partes, sin estos elementos tan
importantes el diseño seria imposible.
Existen una gran variedad de tornillos y soldaduras, por lo que no es necesario
diseñar estos elementos ya que están normalizados y si se requiere de uno de estos
sujetadores solo tenemos que escoger uno que se adapte a nuestras necesidades
y requerimientos.
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Referencias
[1] HTTP://WWW.UTP.EDU.CO /~LVANEGAS /DISI/CAP8.PDF
FECHA DE CONSULTA: 21 DE MARZO DE 2016
[2] HTTP://WWW.VC.EHU.ES /DTECNICO /TEMA12_05.HTM
FECHA DE CONSULTA: 21 DE MARZO DE 2016
[3] HTTPS://ES.WIKIPEDIA.ORG /WIKI /PERNO
FECHA DE CONSULTA: 21 DE MARZO DE 2016
[4] HTTP://HTML.RINCONDELVAGO.COM /ROSCAS- Y-TORNILLOS.HTML
FECHA DE CONSULTA: 21 DE MARZO DE 2016
[5] DISEÑO EN INGENIERÍA MECÁNICA DE SHIGLEY. OCTAVA EDICIÓN. RICHARD G. BUDYNAS Y J. KEITH NISBETT. MCGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V.
[6] HTTP://WWW.INSHT.ES /INSHTWEB /CONTENIDOS /DOCUMENTACION /FICHASTECNICAS /NTP/FICHEROS /401A500/NTP _494.PDF
FECHA DE CONSULTA: 21 DE MARZO DE 2016
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