Ángulos de cabeza avellanada: 82°, 90° y el agujero

Parece una elección, y se presenta como tal

Todo catálogo de tornillos avellanados ofrece 82° y 90°. Aparecen uno junto a otro como dos acabados o dos tamaños de cabeza, y tratar el ángulo como una preferencia es justo lo que esa presentación sugiere.

La mayoría de las veces no pasa nada, porque un conjunto completo suele proceder de una sola norma y los ángulos coinciden sin que nadie lo piense. El problema solo aparece cuando un plano cita una norma y el tornillo procede de otra.

Entonces elija 90°, salvo que nunca le correspondió elegir

El malentendido habitual es tratar el ángulo como una preferencia. Sigue a la norma que cita el plano:

Lo que hacen realmente unos pocos grados

Trate la cabeza y el avellanado como dos conos coaxiales. En cuanto los ángulos incluidos difieren, solo pueden tocarse en un círculo. Cuál depende de qué cono es más agudo:

• Ángulo del tornillo menor que el del agujero (un tornillo de 82° en un avellanado de 90°): el cono de la cabeza es más agudo que el agujero, así que el contacto cae en el borde superior y la cabeza sobresale. No es posible quedar a ras.
• Ángulo del tornillo mayor que el del agujero (un tornillo de 90° en un avellanado de 82°): el cono de la cabeza es más plano, así que el contacto baja al extremo pequeño en el fondo del avellanado y carga la parte más delgada del agujero.

Caiga donde caiga, las consecuencias son las mismas:

• El contacto de superficie se convierte en contacto de línea. Sube la tensión local; la chapa delgada puede abombarse o el borde del agujero doblarse
• La cara de la cabeza no queda paralela a la superficie, de modo que «a ras» solo lo es a la vista
• Cambia el radio de fricción y, con él, la relación entre par y fuerza de apriete. Si la unión se controla por par, esos parámetros se establecieron con un emparejamiento correcto: el mismo argumento aparece en el artículo sobre acumulación de tolerancias, y no sobrevive a un emparejamiento distinto.

Y hay un segundo mecanismo, que no necesita que nadie se haya equivocado. El agujero y la cabeza se tolerancian en documentos distintos, y sus intervalos no están centrados entre sí:

Por eso el ángulo figura en todos los formatos de designación permitidos de ambos sistemas de normas: dos sistemas de designación. Y si el plano va a un proveedor taiwanés, tenga en cuenta que la cabeza tiene cuatro nombres en chino y las normas usan uno distinto del comercial.

De dónde salen 100°, 110° y 120°

Es un compromiso geométrico, no variantes inventadas por los proveedores. Abrir el ángulo incluido da un diámetro de cabeza mayor para la misma altura de cabeza y un avellanado menos profundo. Cuando una chapa delgada tiene que conservar superficie de apoyo mientras la cabeza se aplana, esa es la dirección en la que queda margen.

Es en el trabajo de armarios donde hemos visto realmente que la demanda se mueve en esa dirección: paneles delgados, acabado a ras obligatorio y una cabeza que no debe ser tan pequeña que atraviese la chapa. Eso es lo que ha pasado por nuestra propia mesa, no una clasificación de una norma. 82° y 90° tienen normas detrás, 100° es habitual en series aeronáuticas y, más allá, por lo general se trabaja según plano.

Cabezas más delgadas y pequeñas dejan menos margen

La otra mitad de la demanda es la propia cabeza. Tres cosas van juntas:

• Disminuye la superficie de apoyo. La misma carga de apriete presiona un anillo más pequeño y aumenta el riesgo de que atraviese la chapa delgada
• El avellanado puede atravesar la chapa. Si la altura de la cabeza supera el espesor de la chapa, el avellanado la atraviesa y deja un filo de cuchillo, que ni resiste la manipulación ni ofrece una cara de apoyo
• Se reduce la profundidad de la huella. Una cabeza más delgada no admite una huella cruciforme ni un hexágono interior profundos, así que el enganche de la herramienta es menor y el desprendimiento de la punta (cam-out) se vuelve más probable

Enrasado y ángulo son dos requisitos, no uno

La mayoría de las discusiones sobre un avellanado son en realidad dos requisitos con un solo nombre. Las especificaciones de instalación suelen controlar la altura instalada. Las normas de agujeros controlan la geometría. Ninguna implica la otra.

NASA PRC-9007C §3.0 es el ejemplo más claro de la primera: exige especificar el diámetro y la profundidad del avellanado de modo que los elementos instalados cumplan una sobresalida máxima estándar de 0.010 in, salvo que el plano indique otra tolerancia. Es una afirmación sobre dónde termina la parte superior de la cabeza, no sobre el cono.

El caso inverso, ángulo dentro de tolerancia y cabeza que aun así sobresale, tiene muchas causas corrientes, y ninguna es un problema de ángulo:

• Diámetro mayor del avellanado insuficiente, o profundidad axial insuficiente
• Cabeza del tornillo en su diámetro real máximo, o altura de cabeza en su límite
• El radio de unión entre cabeza y caña que toca el borde del orificio piloto: NASA-STD-5020A, requisito TFSR 22, exige expresamente holgura para él, mediante un agujero achaflanado o una arandela avellanada
• Rebabas, acumulación de recubrimiento, residuos o marcas de vibración
• Avellanado y orificio piloto excéntricos, o ejes no paralelos
• Un rompecantos o un segundo chaflán que desplaza la referencia de intersección con la superficie
• Chapa demasiado delgada para el cono requerido sin dejar un filo de cuchillo

Por eso «no queda a ras» no es un diagnóstico. La primera pregunta útil es si el plano pide una altura o una geometría, porque ambas se inspeccionan de forma distinta y pueden fallar de manera independiente. El caso de la holgura del radio se trata en el radio bajo la cabeza.

Cuatro datos que poner en el plano

• La norma de la cabeza y su ángulo. ISO 10642 (90°) o ASME B18.6.3 (82°), no solo «avellanado»
• El ángulo y el diámetro superior del avellanado. El agujero tiene sus propias normas, ISO 15065 y DIN 74, con los perfiles de cabeza en ISO 7721. Las dimensiones publicadas de agujeros avellanados discrepan entre sí más a menudo de lo que se espera, así que importa de qué tabla salió el valor
• El criterio de aceptación del enrasado. Cuánto puede sobresalir y cuánto quedar por debajo, y cómo se mide
• Espesor de chapa frente a altura de cabeza. Si se forma un filo de cuchillo es aritmética que puede hacerse de antemano

Cinco preguntas antes del muestreo

• ¿Qué ángulo tiene su agujero? Punzonado, avellanado con herramienta o mecanizado: las desviaciones difieren
• ¿Cómo se juzga el enrasado? A simple vista, con galga o midiendo la sobresalida
• ¿Qué espesor tiene la chapa y cabe la altura de la cabeza?
• ¿Se ha tenido en cuenta el recubrimiento? Una capa sobre el cono cambia dónde asienta la cabeza (el problema de la holgura es más agudo en tamaños pequeños)
• ¿Este ángulo es un artículo estándar o se fabrica según plano? El utillaje y el plazo no son los mismos

Háganos la misma pregunta

Lo que podemos confirmar: por debajo de M6, el alambre, el utillaje, el laminado de rosca y la inspección se realizan internamente; el conformado, la inspección y el embalaje forman un único flujo, y así desde 1994.

Referencias

• Countersink — Wikipedia

Normas mencionadas arriba, enumeradas por número para su verificación:

• ASME B18.6.3　Machine Screws, Tapping Screws, and Metallic Drive Screws (cabeza plana en pulgadas, 82°; la misma norma incluye también cabezas de 100°)
• NASA PRC-9007C　§3.0: diámetro y profundidad del avellanado especificados para una sobresalida máxima estándar instalada de 0.010 in
• NASA-STD-5020A　requisito TFSR 22: holgura para el radio entre cabeza y caña, mediante agujero achaflanado o arandela avellanada
• ISO 7046 / ISO 10642　tornillos métricos de cabeza avellanada (90°)
• ISO 7721　tornillos de cabeza avellanada: configuración de la cabeza
• ISO 15065 / DIN 74　avellanados para tornillos de cabeza avellanada

Esta página describe la geometría y qué especificar. No es un conjunto de valores de diseño para ningún producto concreto. Los ángulos, tolerancias y criterios de aceptación se rigen por las propias normas y por su plano.

Este artículo trata el paso 3: cabeza. El orden completo es sustrato, rosca, cabeza, accionamiento, acabado y documentación. El artículo inglés Specifying a screw explica por qué alterarlo genera retrabajo.