Unir componentes de forma segura, fiable y aprovechando las propiedades de los materiales es una de las principales áreas de innovación en las industrias manufactureras. Una de estas técnicas se llama ajuste a presión, un método que se basa en la fricción y no requiere soldadura, soldadura o mecanizado de las piezas.

Como verá más adelante, los ajustes a presión son algunos de los ejemplos más precisos de fijación de dos piezas juntas. Aunque hacen piezas muy fuertes, este método no es exactamente adecuado para todos los escenarios. Siga leyendo mientras cubrimos los aspectos básicos de los ajustes de prensa y definimos la tolerancia de ajuste de prensa.

¿Qué es el ajuste a presión?

Un ajuste a presión, a veces conocido como ajuste de interferencia, es un método para unir dos piezas ajustadas que dependen de la fricción. Este es uno de los métodos de fijación preferidos para aplicaciones que requieren una unión duradera y una alineación perfecta. El proceso normalmente no requiere la exposición de las piezas a temperaturas extremas, no requiere soldadura y es compatible con sistemas automatizados.

En cualquier aplicación de ajuste a presión, hay dos partes de acoplamiento que se unen de una manera muy ajustada. Estas dos partes de apareamiento pueden tomar diferentes formas. El ejemplo más común sería un eje y un orificio, pero los ajustes a presión también se utilizan para componentes más pequeños, como los terminales eléctricos de una placa de circuito impreso (PCB). Los ajustes de prensa son ideales para uniones que involucran componentes eléctricos, ya que el ajuste ajustado de las piezas garantiza un contacto conductor confiable.

Debido a las grandes fuerzas de fricción involucradas, el prensado de las dos partes de acoplamiento se realiza típicamente mediante un pistón hidráulico o neumático. Se trata de un proceso lento y deliberado que se centra más en la alineación que en el impacto.

La tecnología de ajuste a presión se ha utilizado ampliamente debido a su fiabilidad y simplicidad relativa. Aunque exige mediciones muy exigentes en las piezas de acoplamiento, la ejecución real de los componentes de acoplamiento juntos se puede llevar a cabo incluso sin un nivel excepcional de habilidad.

Cómo funciona un ajuste a presión

Para comprender cómo funciona el ajuste a presión, primero necesitamos describir las características físicas de las dos partes de acoplamiento. Para el ejemplo básico de un eje y un orificio, es fundamental darse cuenta de que el orificio es ligeramente más pequeño que el eje.

Cuando el eje se presiona en el orificio, el material del eje sufre una ligera compresión. Esto induce al eje a ejercer una fuerza normal sobre la superficie interna de la sujeción. Al mismo tiempo, el orificio presiona hacia adentro, ya que también atraviesa una ligera expansión debido a la inserción del eje. Esta fuerza normal contribuye a la generación de una gran fuerza de fricción que mantiene unidos los dos componentes.

La magnitud real de la fuerza normal ejercida por los componentes del orificio y del eje depende del material del que estén hechos. Los metales duros, como el acero, son más resistentes a la deformación y ejercerán una mayor fuerza normal. Por otro lado, los plásticos y el caucho blando generarán fuerzas normales más pequeñas debido a su propensión a la deformación.

La tolerancia de ajuste a presión, que analizaremos con más detalle más adelante, es una medida de cuánto es «sobredimensionado» el eje en comparación con el orificio. Esto mide la cantidad de compresión o expansión que el material debe soportar, y cuánta fuerza normal ejerce.

Mejores prácticas en el diseño de ajustes de prensa

Al igual que con casi cualquier proceso o técnica industrial, un ajuste de prensa no es una solución integral para todas las necesidades de sujeción. Si está considerando usar ajustes a presión, aquí tiene algunas reglas generales a tener en cuenta:

Selección y compatibilidad del material

La capacidad de sujeción de un ajuste a presión depende de la capacidad del material para mantener una fuerza normal constante como reacción a su deformación. Sin embargo, hay materiales que se deforman naturalmente cuando se someten a una fuerza constante o «fluyen» hacia una nueva orientación. Cuando se utilizan estos tipos de materiales en un ajuste a presión, tienden a perder fricción con el tiempo, aflojando así el agarre de las piezas sujetadas.

Los plásticos blandos, como el nailon, el poliuretano y el policarbonato, son buenos ejemplos de materiales inadecuados para el ajuste a presión. Esta es también la razón por la que la mayoría de las piezas de plástico tienen una conexión de «ajuste rápido» que se basa en un mecanismo de bloqueo en lugar de una tensión sostenida.

Anticipe las variaciones de temperatura

Casi todos los materiales reaccionan de manera similar a los cambios de temperatura: los objetos se expanden cuando se calientan y se contraen cuando se enfrían. Sin embargo, el grado en que ocurren estos fenómenos dependerá del material en cuestión. Por ejemplo, una pieza de aluminio se expandirá por un margen mayor cuando se exponga a altas temperaturas en comparación con una pieza de caucho equivalente.

Esta disparidad en el comportamiento de expansión térmica y compresión importará si tenemos un conjunto de ajuste a presión hecho de dos materiales diferentes. Exponiendo nuestro ejemplo anterior, un conjunto hecho de un eje de goma dentro de un orificio de aluminio puede terminar perdiendo su agarre cuando se somete a calor extremo.

Para ser claros, es perfectamente aceptable unir dos materiales diferentes siempre y cuando no necesiten exponerse a temperaturas extremas o tengan coeficientes similares de expansión térmica.

La alineación de piezas es clave

La alineación de piezas unidas mediante ajustes de prensa tiene una tolerancia muy pequeña. Un conjunto perfectamente alineado debe tener esfuerzos internos que se distribuyan uniformemente, asegurando que las piezas permanezcan unidas incluso cuando estén sujetas a fuertes vibraciones.

Por esta razón, los fabricantes han ideado muchos medios para lograr una alineación perfecta. Las herramientas y la fijación adecuadas son factores críticos en este paso. La mayoría de los fabricantes diseñarían las piezas de acoplamiento para que tuvieran moletas o pares de proyecciones y hendiduras coincidentes. Esto garantiza que las piezas se acoplen perfectamente con poco margen de error.

Aunque las prensas hidráulicas o neumáticas utilizadas para combinar piezas para ajustes de prensa requieren mucha potencia, generalmente se operan muy lentamente. Esto permite realinear las piezas a medida que se presionan juntas. Idealmente, la intervención del operador no será necesaria, pero se puede hacer si la situación lo requiere.

Considere la posibilidad de estrechar la pieza de acoplamiento

Una estrategia común al diseñar piezas para ajustes de prensa es estrechar el extremo del eje. Esto se llama chaflán y ayuda tanto con la alineación de las piezas como con la distribución uniforme de la fuerza alrededor de la circunferencia del orificio. El prensado de las piezas también se hace más fácil y suave mediante la adición de un chaflán, ya que las fuerzas de compresión tienden a acumularse más gradualmente.

Determinación de la tolerancia de ajuste a presión adecuada

La magnitud de la fuerza normal también dependerá de la cantidad de material que se comprime o se expande una vez que se sujeta. Recuerde que el eje es típicamente un poco más grande que el orificio. Esta diferencia en las dimensiones es lo que normalmente se conoce como la «tolerancia de ajuste a presión».»Este es un número muy pequeño, típicamente menos de 1/1000 de pulgada.

Las figuras adecuadas para la tolerancia de ajuste a presión tienen en cuenta las dimensiones y el material tanto del eje como del orificio. Por ejemplo, las piezas de caucho requerirán una mayor tolerancia, ya que tienen una mayor propensión a la deformación. La tolerancia también aumenta con el aumento del tamaño de la pieza, aunque esta relación puede no ser necesariamente lineal.

Desafortunadamente, los cálculos para determinar la tolerancia adecuada para un conjunto de ajuste a presión están lejos de ser sencillos. Aparte de las dimensiones del eje y el orificio, incluidos los chaflanes a ambos lados del eje, también causarán un cambio en los valores. También es necesario tener en cuenta la temperatura de funcionamiento prevista para la pieza que se está ensamblando.

Si una pieza contiene más de un pasador, es posible que también sea necesario ajustar la tolerancia teniendo en cuenta la fuerza de compresión máxima de la prensa hidráulica o neumática que se utilizará.

La dificultad de calcular la tolerancia de ajuste a presión adecuada es el mayor desafío de incluir dicha tecnología en una línea de ensamblaje automatizada. Si no se detecta, un ajuste de prensa desalineado o uno con una tolerancia demasiado grande puede dañar la pieza que se está ensamblando o la prensa neumática. Con la magnitud de las fuerzas involucradas, un accidente de este tipo podría ser bastante catastrófico.

Ajuste por contracción: una alternativa al ajuste a presión

A pesar de los muchos beneficios de los ajustes a presión, el hecho de que no haya reemplazado todas las conexiones mecánicas es prueba suficiente de que no es perfecto. Una de las alternativas más populares a un ajuste a presión es un ajuste por contracción. Con este método, las dimensiones de cualquiera de las dos partes que se ensamblan se alteran mediante calentamiento o enfriamiento.

La idea detrás del método es usar la expansión térmica para unir más fácilmente las dos partes, después de lo cual vuelven a la temperatura ambiente. La tolerancia sigue siendo crítica en esta técnica, pero es mucho más indulgente. También disminuye la fuerza que una prensa hidráulica o neumática debe ejercer para unir las dos partes.

El inconveniente de esta técnica es que tarda más tiempo en cuenta de la necesidad de calentar o enfriar las piezas a temperaturas extremas. También hay un montón de equipos especializados involucrados. Antes de realizar un ajuste por contracción, las piezas metálicas se calientan a temperaturas de hasta 300 °C o se enfrían con nitrógeno líquido. Definitivamente, se necesita un poco más de habilidad técnica para unir las dos partes de una manera más confiable que un ajuste a presión.

Pensamientos finales

En la superficie, un ajuste a presión parece una forma muy simple de unir dos componentes para crear una parte singular. Es rápido, fiable y no requiere soldadura ni mecanizado. Sin embargo, hay muchas cosas que pueden salir mal con un conjunto de ajuste a presión. Un ajuste a presión correctamente hecho es solo una ilustración de un proceso que se ha preparado tan intrincadamente y se ha hecho tan suavemente que parece fácil.