Especificar una arandela: «una arandela M4» son tres piezas distintas

Tres series de diámetro exterior, un solo tamaño nominal

ISO 7091 es la serie normal en una clase de producto más basta; por eso la misma arandela nominal puede diferir también en tolerancia y calidad de acabado sin diferir en dimensiones sobre el papel.

Cómo leer la especificación de una arandela

Una arandela se especifica con cinco datos, y los tres primeros son dimensiones:

• Diámetro interior: y es mayor que el tornillo, porque el tornillo tiene que pasar. Una «arandela M4» tiene un diámetro interior superior a 4 mm, no de 4 mm
• Diámetro exterior: las series de arriba
• Espesor: en tamaños pequeños es comparable a la altura de la cabeza, así que no es indiferente
• Material: acero al carbono, inoxidable, latón, nailon, fibra
• Clase de dureza y acabado: el dato que más se omite y el que más importa

Así que se añade una arandela, y lo que realmente hace es otra cosa

«Reparte la carga» es la respuesta habitual, y es la menos importante de las cuatro, salvo en materiales blandos. Ordenadas según la frecuencia con que son el verdadero motivo:

• Da una superficie de apoyo constante. El coeficiente de fricción bajo cabeza decide la mayor parte de cuánto de su par se convierte en fuerza de apriete, y una arandela hace que esa superficie sea siempre la misma, sea como sea la superficie de la pieza: ese es todo el problema del control por par
• Protege la superficie de las rayas de la cabeza al girar: estético en una pieza pintada, funcional en una cara de estanqueidad
• Cubre un agujero sobredimensionado o rasgado, que es el caso para el que la serie ancha existe con razón
• Reparte la presión de apoyo: realmente importante en aluminio, plástico y madera, y en gran medida irrelevante en acero

Añadir una arandela es cambiar la unión

Ponga una arandela bajo una cabeza que antes apoyaba directamente en la pieza y la interfaz de fricción se desplaza. Ahora está entre tornillo y arandela y entre arandela y pieza, en lugar de entre tornillo y pieza, con coeficientes distintos y una segunda interfaz que puede deslizar.

• La fuerza de apriete con el mismo par cambia, normalmente al alza con una arandela lisa y dura, lo que puede sobrecargar una rosca que antes estaba bien
• La longitud de apriete aumenta en el espesor de la arandela, lo que ayuda un poco contra el asentamiento y reduce un poco la longitud de rosca engranada si la longitud del tornillo no cambia
• Una arandela suelta puede girar con la cabeza, desplazando sin aviso la interfaz de deslizamiento a la cara entre arandela y pieza

Los tipos, y si hacen lo que prometen

Por debajo de M3 cambian tres cosas

• El espesor de la arandela pasa a ser una fracción importante de la altura de la cabeza (como todo lo demás en estos tamaños), así que cambia visiblemente cuánta rosca queda engranada
• El coste de manipulación sube mucho. Alimentar de forma fiable una arandela M2 suelta es más difícil que alimentar el tornillo, y precisamente por eso existen los tornillos SEMS: la arandela se monta en fábrica y no puede caerse
• La planitud y la rebaba importan proporcionalmente más. Una rebaba despreciable bajo una cabeza M8 es una inclinación bajo una M2

Qué poner en el plano

• El número de norma: ISO 7089, ISO 7092 o ISO 7093, no «arandela M4»
• Material y clase de dureza, porque una arandela blanda es una fuente de asentamiento
• Acabado, comprobado frente a las piezas que toca: una arandela es un tercer metal en la unión
• Si hace falta o no, expresado como función. «Arandela para dar una superficie de apoyo constante» sobrevive a una revisión de reducción de costes; una partida sin explicación, no

Una fila de esa tabla ha perdido por completo sus papeles: las arandelas elásticas onduladas y curvadas que se venden como DIN 137 remiten a una norma retirada sin sustituta.

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.

Preguntas frecuentes

¿En qué sentido se coloca una arandela plana?

Para una arandela plana corriente las normas no lo indican, porque no hay nada que orientar. Ni ISO 7089 ni ISO 7090 especifican una orientación de montaje. El consejo habitual de poner el lado achaflanado hacia la cabeza del perno tampoco se aplica a ISO 7090, porque su chaflán está en el diámetro exterior —su objeto y campo de aplicación lo dice con esas palabras— y su agujero es el mismo que el de ISO 7089, así que darle la vuelta no deja holgura para el radio bajo cabeza. Una arandela que de verdad libre el radio necesita un agujero avellanado, y la regla que existe para ella está en NASA-STD-5020A: cara avellanada hacia la cabeza del perno. Lo que sí importa en una arandela estampada corriente es la planitud y la rebaba, y más cuanto menor es el tamaño.

¿Cómo se lee la especificación de una arandela?

Con cinco datos: diámetro interior, diámetro exterior, espesor, material, y clase de dureza con acabado. El diámetro interior es mayor que el tornillo, ya que el tornillo debe pasar: una arandela M4 tiene un diámetro interior superior a 4 mm. El diámetro exterior lo fija la serie, y la dureza es el dato que más se omite y el que más importa, porque una arandela más blanda que las piezas que la rodean se deforma bajo la cabeza y pierde precarga.

¿Por qué arandelas del mismo tamaño tienen diámetros exteriores distintos?

Porque las arandelas planas existen en varias series de diámetro exterior. De menor a mayor: estrecha (ISO 7092 / DIN 433), normal (ISO 7089 / DIN 125), ancha (ISO 7093 / DIN 9021, aproximadamente 3 veces el diámetro nominal) y extra ancha (ISO 7094). De la estrecha a la ancha, el diámetro exterior pasa a más del doble, lo que decide si la arandela cabe en un cajeado y cuánta área de apoyo recibe un material blando. Especifique el número de norma en lugar del tamaño.

¿Para qué sirve realmente una arandela?

Casi siempre, para dar una superficie de apoyo constante de modo que la fricción bajo cabeza sea repetible, y esa fricción decide la mayor parte de cuánto del par aplicado se convierte en fuerza de apriete. Después vienen proteger la superficie de la cabeza al girar y cubrir un agujero sobredimensionado o rasgado. Repartir la presión de apoyo, la respuesta habitual de los manuales, importa de verdad en aluminio, plástico y madera, y es en gran medida irrelevante en acero.

¿Añadir una arandela cambia la unión?

Sí. La interfaz de fricción pasa de tornillo–pieza a tornillo–arandela más arandela–pieza, con coeficientes distintos y una segunda superficie que puede deslizar, así que la fuerza de apriete que da el mismo par cambia, normalmente al alza con una arandela lisa y dura, lo que puede sobrecargar una rosca que antes estaba bien. La longitud de apriete también aumenta en el espesor de la arandela. Trátelo como un cambio que requiere reverificación, no como un añadido gratuito a la lista de materiales.

¿Funcionan las arandelas elásticas de seguridad?

El manual de diseño de elementos de fijación de la NASA califica el tipo partido de inútil como bloqueo una vez que la precarga lo aplana, y se aplana muy por debajo de la fuerza de apriete normal. Las arandelas dentadas funcionan mordiendo la cara de contacto, lo que elimina el recubrimiento y puede iniciar un problema de corrosión. Los pares de bloqueo por cuña con rampas son eficaces en ensayos de vibración transversal. Una arandela Belleville resuelve otro problema distinto: mantiene la precarga durante el asentamiento y los ciclos térmicos, en lugar de impedir el giro.

Referencias

• ISO 7089 — Plain washers — Normal series, product grade A
• ISO 7092 — Plain washers — Small series, product grade A
• ISO 7093-1 — Plain washers — Large series
• NASA RP-1228 — Fastener Design Manual (evaluación de las arandelas elásticas partidas)