Apretar un tornillo al par correcto: por qué la cifra de la llave es una aproximación

Adónde va realmente el par

Imagina el tornillo como un muelle que estiras con un gato de husillo. La rosca es el gato; al girarla tira de la cabeza contra la unión y pone el tornillo en tracción. Esa tracción es la precarga, y es todo el objetivo: es lo que impide que las piezas deslicen, lo que impide que la unión se abra bajo carga y —en contra de la intuición— lo que impide que el tornillo fatigue, porque un tornillo bien precargado apenas ve la carga cíclica que se aplica a la unión.

El problema es que la llave no ve nada de eso. Lee la reacción en el mango, y esa reacción es la suma de tres cosas: el trabajo útil de subir la hélice del filete, el rozamiento entre los flancos del filete, y el rozamiento entre la cara inferior de la cabeza o la tuerca y la superficie contra la que gira. Solo el primero estira el tornillo. Según las superficies, los otros dos suman entre cuatro quintos y nueve décimos de todo lo que tiras. Pasa un poco de aceite por la rosca y no has cambiado ni el tornillo, ni la unión, ni la llave: has cambiado el tipo de cambio entre la cifra del dial y la fuerza en el tornillo.

Todo ese lío se agrupa en un solo número, el coeficiente K, y la relación es deliberadamente burda: T = K · F · d, con F la precarga y d el diámetro nominal. K no es un coeficiente de rozamiento ni se deduce de uno. Es un factor empírico global que engloba de golpe el rozamiento bajo la cabeza, el de los filetes y la geometría de la hélice, y la única forma honesta de obtenerlo es apretar una muestra de la unión real sobre una célula de carga y medirlo. Las tablas publicadas dan rangos, no valores. La calculadora lleva once cifras intermedias —seco 0,20, aceite ligero 0,15, bisulfuro de molibdeno 0,10, cera o PTFE 0,12, antiagarrotante 0,13, cadmiado 0,16, óxido negro 0,18, inoxidable lubricado 0,19, cincado 0,20, galvanizado en caliente 0,25, inoxidable sobre inoxidable en seco 0,30— y te deja escribir el tuyo si lo has medido.

Qué calcula la herramienta, paso a paso

Trabaja hacia delante, del tornillo a la llave, nunca al revés. Primero el área resistente, que no es ni el área del diámetro nominal ni la del fondo del filete, sino una media convencional de ambas: en métrica de paso grueso, As = (π/4)(d − 0,9382 · P)², donde P es el paso. Para un M10 con paso de 1,5 mm da 57,99 mm², y para un M20 a 2,5 mm da 244,8 mm² — ambas reproducen las tablas de la ISO 898-1. Las roscas unificadas en pulgadas usan la fórmula paralela As = 0,7854 · (D − 0,9743/n)², que devuelve 0,1419 in² para un 1/2-13 UNC, otra vez la cifra publicada.

Después la tensión de prueba, que sale de la clase de calidad y, en dos de ellas, también del diámetro. La clase 8.8 vale 580 MPa hasta 16 mm inclusive y 600 MPa por encima; la 10.9 vale 830 MPa; la 12.9, 970 MPa; el inoxidable A4-80 se da sobre su límite elástico al 0,2 % de 600 MPa, porque el inoxidable austenítico no tiene carga de prueba en el mismo sentido. Multiplica la tensión de prueba por el área resistente y tienes la carga de prueba — la carga que el tornillo tiene garantizado soportar sin deformación permanente medible, en torno al 90 % de su límite elástico. M10 clase 8.8: 580 × 57,99 = 33 634 N, o sea 33,63 kN.

El tercer paso es tuyo: ¿qué fracción de la carga de prueba quieres en el tornillo? El campo trae 75 % por defecto, la cifra habitual para una unión que piensas volver a abrir; en las permanentes se sube al 85-90 %. Eso da F = 25,23 kN. El último paso es el burdo: T = K · F · d = 0,15 × 25 225 N × 0,010 m = 37,84 N·m. Todo lo anterior a esa línea es trabajo normativo con valores publicados detrás. La última línea es una estimación con un coeficiente medido delante, y ahí vive toda la incertidumbre.

Lee la tabla al revés: un par, siete aprietes distintos

La herramienta imprime un par para cada estado de lubricación, que es el sentido útil cuando sabes en qué estado está tu tornillo. El sentido inquietante es el otro. Fija el par en la cifra aceitada de 37,84 N·m —el tipo de número que se apunta en un trozo de cinta y se reutiliza— y pregunta qué precarga recibe de verdad cada superficie. La respuesta está en la tabla de abajo, y abarca un factor de tres: 12,61 kN en inoxidable seco, 18,92 kN en seco o cincado, 25,23 kN como se pretendía, 37,84 kN con grasa de molibdeno.

Dos filas merecen que se las señale. El galvanizado en caliente, K = 0,25, recibe 15,14 kN — el 45 % de la carga de prueba, una unión apenas apretada que acabará aflojándose. Y la grasa de bisulfuro de molibdeno, K = 0,10, recibe 37,84 kN, o sea el 112,5 % de la carga de prueba: el tornillo ha sido estirado más allá de lo que tiene certificado aguantar sin deformación permanente. Ese es todo el argumento para leer el estado de lubricación de una especificación como parte de la especificación, y no como una nota al pie. El par correcto de un tornillo seco es aproximadamente el doble del de uno engrasado, y aplicar la cifra del seco a un tornillo engrasado es la forma más segura de arruinarlo.

«Un poco más»: así se estira un tornillo más allá de su límite

El 75 % por defecto existe porque hace falta margen. La carga de prueba es en torno al 90 % del límite elástico, así que apretar al 75 % de la prueba deja el tornillo a un 67 % de su límite — el ejemplo M10 se queda en 435 MPa en un tornillo cuya resistencia a tracción es de 800 MPa. Ese hueco no es holgura. Absorbe la dispersión de K, la tensión añadida por la carga exterior, el hecho de que una llave dinamométrica solo es precisa a un pequeño porcentaje, y el cortante de torsión que el apriete añade encima de la tracción y que la cifra de tensión de la herramienta no incluye.

La calculadora no te impedirá gastar ese margen. El porcentaje de precarga es un campo libre, sin tope ni aviso. Escribe 500 y devuelve 252,3 N·m y una tensión de 2 900 MPa en el tornillo, frente a una resistencia a tracción de 800 MPa — una cifra que describe un tornillo ya roto, impresa en la misma tipografía que los demás resultados. Conviene saberlo antes de fiarte de un número que te dé: la herramienta hace aritmética, y hará la aritmética de una unión rota tan alegremente como la de una sana. Por encima del 100 % ya no es una unión, es un parte de rotura.

En la práctica, las roturas rara vez vienen de teclear 500. Vienen de la segunda pasada. Una llave que ha hecho clic, luego una duda, luego otro intento — y la segunda pasada no arranca de cero, se suma. Vienen de un par recordado de otro tornillo del mismo diámetro pero de otra clase, ya que un M10 en 10.9 pide 830 MPa donde el 8.8 pide 580. Y vienen de una unión que se asienta: pintura, junta blanda, rebaba bajo la cabeza, cosas todas que dejan al tornillo relajarse tras el apriete — de ahí que exista una pasada de repaso, y de ahí que deba hacerse al mismo par, no a uno mayor.

Cuándo el par deja de bastar

Si una llave dinamométrica entrega la precarga con un ±25 a ±35 %, entonces cualquier unión donde la precarga importe de verdad necesita otro método. El escalón más barato es el apriete angular, y ya lo has visto sin saberlo: una especificación del tipo «30 N·m más 90 grados» no pide dos cosas, pide una. La etapa de par solo existe para asentar la unión y recuperar holguras —esa es la condición de «acoplado»— y a partir de ahí es el ángulo el que fija el estiramiento, porque girar la tuerca una fracción conocida de vuelta la avanza una fracción conocida del paso, y ese avance es estiramiento. El rozamiento casi no tiene voto en la segunda etapa.

Por encima están los métodos que miden la cosa misma. El alargamiento del tornillo, leído con micrómetro sobre una longitud de referencia conocida o con un aparato de ultrasonidos que cronometra un eco por el vástago, es la medida directa: lees el estiramiento en vez de inferirlo. Las arandelas indicadoras de carga aplastan una serie de resaltes a una carga conocida. Los tensores hidráulicos esquivan el problema por completo: tiran del tornillo en tracción pura y la tuerca se acompaña contra un tornillo ya estirado, así que no se introduce torsión alguna. Estructura metálica, culatas de motor y bridas a presión usan uno de estos, y ninguno usa una llave de clic por la razón alrededor de la cual gira este artículo: una llave de clic mide tu esfuerzo, no la unión.

Preguntas frecuentes

¿Debo engrasar un tornillo si el par del fabricante no lo indica?

No. Cuando una especificación calla, el valor por defecto del sector es «seco tal cual», y ese supuesto está metido en la cifra. Engrasar un tornillo cuya cifra se escribió en seco lleva K de unos 0,20 a unos 0,15, así que el mismo par entrega casi un tercio más de precarga de la prevista — suficiente para llevar una unión del 75 % al 100 % de la carga de prueba. La excepción es la especificación que nombra explícitamente un lubricante: entonces usar otra cosa, incluida ninguna, es igual de erróneo en sentido contrario. Y si necesitas lubricante para que una fijación gire suave, lo que está dañado es la fijación o la rosca: la respuesta es una pieza nueva, no grasa.

¿Me dice una llave dinamométrica la precarga que realmente he conseguido?

No, y una calibrada tampoco. Una llave dinamométrica mide el momento que aplicas en el mango, que es una medida real y repetible de tu propio esfuerzo. No tiene forma de separar en ese momento la parte que estiró el tornillo de la que calentó la cara inferior de la cabeza. Una llave calibrada a ±4 % puede perfectamente entregar una precarga dispersa un ±25 a ±35 %, porque la dispersión viene de la unión, no del instrumento. Conviene decirlo claro, porque una llave mejor es la compra refleja, y mejora justo la única cifra que nunca fue el problema.

¿Por qué el 75 % de la carga de prueba y no el 100 %?

Porque el 25 % restante es donde caben los errores. El coeficiente K es incierto en un cuarto o más, la llave tiene su propia tolerancia, la unión puede asentarse y perder precarga, y cualquier carga exterior aplicada se suma un poco al tornillo por encima de la precarga. Aprieta al 100 % de la prueba y un solo valor malo de K te lleva más allá del límite elástico. La herramienta trae 75 % por defecto justo por eso, y te deja el campo abierto para subirlo a propósito en una unión permanente — allí lo normal es 85-90 %, porque el tornillo no se aflojará nunca, la carga se conoce mejor y la pérdida de margen se paga con un montaje mejor controlado. Ojo: la carga de prueba es ya solo un 90 % del límite elástico, así que el 75 % de la prueba equivale a un 67 % del límite.

¿Puedo reutilizar un tornillo de apriete al límite elástico?

No, y la razón está en el nombre. Un tornillo de apriete al límite elástico está diseñado para llevarse a propósito más allá de su límite, a la parte plana de su curva tensión-deformación, porque allí la tensión que retiene es casi insensible a cuánto se estiró — una manera excelente de sacar precarga constante de un proceso variable. El precio es que el estiramiento es permanente. Sácalo y estará más largo que al principio, más fino en el vástago, y su siguiente paso más allá del límite llegará antes y acabará de otra forma. Casi siempre son de un solo uso, siempre se especifican como ángulo tras un par de acoplado, y siempre son más baratos que la pieza que sujetan.

¿Por qué el inoxidable tiene su propio K, y qué es el agarrotamiento?

El inoxidable austenítico es blando, endurece por deformación, y su capa de óxido es fina y autorreparable. Mete un tornillo A2 o A4 en seco en una tuerca de la misma aleación y las dos superficies pueden soldarse en los puntos de contacto, desgarrarse, soldarse otra vez y bloquearse en seco — eso es el agarrotamiento, o soldadura en frío, y ocurre con un apriete manual normal, sin calor y sin aviso. Una vez empieza, la fijación ni entra ni sale: hay que cortarla. De ahí que la herramienta dé al inoxidable sobre inoxidable en seco un K de 0,30, el más alto de la lista, frente a 0,19 con lubricación. La regla práctica es simple: monta siempre el inoxidable con pasta antiagarrotante, ve despacio y para en cuanto el esfuerzo suba sin motivo.