Los pernos y tornillos son los componentes mecánicos más básicos y se utilizan ampliamente en diversas industrias, como la del automóvil, la maquinaria industrial y la construcción. A diferencia de la soldadura y el remachado, la característica más importante de los pernos es que se pueden quitar fácilmente incluso después de apretarlos y pueden reutilizarse -apretándolos nuevamente.
Proceso de fabricación de pernos de titanio.
El material de fabricación de los pernos es generalmente alambre enrollado. Después de un procesamiento secundario, como decapado, lubricación, recocido y trefilado, la cabeza del perno y las roscas se forman, se tratan térmicamente-y se tratan la superficie-mediante forjado en frío. Dependiendo del tipo de producto, algunos requieren tratamiento térmico antes de formar la rosca, mientras que otros no. El procesamiento secundario generalmente lo realiza personal especializado, pero en ocasiones se realiza en la planta de fabricación de pernos.
La conformación de la cabeza del perno generalmente se refiere al proceso de forjar en frío la cabeza del perno usando maquinaria de forjado tal como una máquina recalcadora o una máquina de pasador empujador, llamada "recalcadora". La forja en frío, también conocida como prensado en frío, se refiere al procesamiento a temperatura ambiente. Es un término que contrasta con el trabajo tibio y caliente, donde el material se calienta antes de procesarlo. El proceso de forjado implica cortar acero enrollado en longitudes adecuadas y luego presionar el material utilizando varios troqueles de forjado. La forja incluye cuatro pasos: recalcado, embutición profunda, extrusión inversa y acabado. El recalcado implica apretar el material desde un extremo para expandirlo más allá de su diámetro original; la embutición profunda, por el contrario, aprieta el material desde un extremo para encogerlo a un diámetro más pequeño; la extrusión inversa implica presionar el material desde un extremo hacia un troquel con un diámetro más pequeño, lo que hace que se extruya hacia afuera y al mismo tiempo se crea un agujero; El acabado implica eliminar el exceso de espesor mediante un troquel de forja. Dependiendo de la forma del producto, estos métodos se pueden utilizar por separado o en combinación. Las formas más complejas requieren más pasos de procesamiento para dar forma gradualmente al producto, pero los pernos comunes se pueden formar en sólo 2 a 5 pasos.
El proceso de formación de la parte roscada implica el uso de una máquina perfiladora para forjar en frío y dar forma a la rosca en el proceso de formación de roscas de perno. El método de formación es el mismo que el de la cabeza del perno. La forma de la rosca se forma sujetando la pieza en bruto entre dos juegos de matrices de forja, girando una de las matrices mientras se gira simultáneamente la pieza en bruto, y dándole forma de rosca mediante conformación plástica. Las matrices de forja utilizadas para la formación de roscas se denominan " matrices de conformado por laminación ". Hay tres tipos de máquinas perfiladoras: máquinas perfiladoras de forjado plano, máquinas perfiladoras de forjado redondo y máquinas perfiladoras planetarias. Las máquinas perfiladoras de troqueles de forja plana utilizan dos troqueles laminadores ordinarios; uno está fijo mientras el otro se mueve hacia adelante y hacia atrás para enrollar y dar forma al espacio en blanco. Las máquinas perfiladoras de troqueles de forja redonda utilizan dos troqueles cilíndricos paralelos que giran en la misma dirección para enrollar y dar forma a la pieza en bruto intercalada entre los dos troqueles. Las máquinas formadoras de laminación planetaria sujetan la pieza en bruto entre un troquel de forjado cilíndrico y un troquel de forjado en forma de abanico-y la enrollan y le dan forma girando el troquel de forjado cilíndrico.
Los pernos formados mediante forjado en frío y tratamiento térmico generalmente se fabrican a partir de materiales con una dureza adecuada para el procesamiento de plástico. Los materiales con alto contenido de carbono o elementos de aleación añadidos son inherentemente duros y difíciles de procesar, por lo que algunos requieren recocido para ablandarlos. La mayoría de los materiales no pueden alcanzar la resistencia requerida en condiciones de forjado en frío. El tratamiento térmico, realizado después del forjado en frío, imparte la resistencia y las propiedades mecánicas requeridas al perno y es el paso más crucial en la fabricación del perno. Los pernos se clasifican en varios grados de resistencia según su aplicación y uso. El tratamiento térmico es necesario para garantizar que los pernos formados posean sus respectivas propiedades mecánicas requeridas.
Los pernos utilizados en los motores de automóviles a menudo se adhieren al aceite lubricante, por lo que no se oxidan incluso sin un tratamiento superficial. Sin embargo, esto es sólo una pequeña porción de los pernos; la mayoría se utilizan en ambientes corrosivos y, por lo tanto, se oxidarán rápidamente sin tratamiento superficial. Si los pernos oxidados no se tratan, la corrosión impedirá que se desenrosquen y, en casos graves, pueden romperse, provocando accidentes graves. Por lo tanto, los pernos utilizados en ambientes corrosivos requieren tratamientos superficiales como la galvanoplastia. Los tratamientos de la superficie de los pernos se pueden dividir en términos generales en galvanoplastia y revestimiento. El método más utilizado es la galvanoplastia, que tiene las ventajas de un bajo coste y una buena resistencia a la corrosión. Cuando se requiere una mayor resistencia a la corrosión que la galvanoplastia, se puede utilizar una galvanoplastia de aleación como hierro galvanizado y zinc-níquel, o se puede aplicar un recubrimiento compuesto de zinc-aluminio.
Dirección de desarrollo de pernos automotrices.
En los últimos años, los fabricantes de automóviles han exigido menores costos de componentes, menor peso y mayor resistencia. Al mismo tiempo, para abordar los problemas medioambientales, se deben reducir las emisiones de CO2 y, para reducir el consumo de combustible, se debe minimizar el peso de los vehículos. En los costos de fabricación de pernos, el costo de la pieza en bruto representa una parte importante; por tanto, el método más eficaz es reducir el coste del propio material. Los fabricantes de automóviles japoneses están investigando el uso de materiales extranjeros económicos para reducir los costos de suministro de materiales. Para cumplir con los requisitos de los clientes, los fabricantes de pernos también han realizado varios estudios sobre la reducción del peso de los pernos. Como medidas para reducir el peso de los pernos, algunos utilizan metales livianos como el aluminio o el titanio, mientras que otros reducen el tamaño de los pernos. Si bien reducir el tamaño del perno puede reducir el peso, si el tamaño del perno se reduce para el mismo grado de resistencia, la fuerza de apriete del perno disminuirá debido a la reducción del área de la sección transversal-.
Por lo tanto, para garantizar el mismo nivel de resistencia y al mismo tiempo reducir el tamaño del perno, se debe aumentar la resistencia del perno. Los estándares públicos actuales, como JIS y los propios estándares de los fabricantes de automóviles, solo especifican requisitos para pernos con un grado de resistencia inferior a 12,9. Para pernos templados y revenidos ordinarios, las características de fractura retardada se deterioran drásticamente cuando el grado de resistencia excede 12,9. En algunas aplicaciones donde ya se utilizan pernos de alta resistencia de 10,9 o 12,9, lograr una reducción de peso mediante la reducción de tamaño requiere el uso de pernos con un grado de resistencia superior a 12,9 y el empleo de métodos para mejorar las características de fractura retardada. Para lograr una alta resistencia, algunos pernos templados y revenidos mejoran las características de fractura retardada agregando elementos de aleación. Si bien la adición de elementos de aleación puede mejorar hasta cierto punto las características de fractura retardada, el alto precio de estos elementos inevitablemente aumenta los costos.
Otro método consiste en utilizar pernos no-templados ni revenidos. Los pernos no-templados y revenidos no requieren tratamiento térmico después de formarse; su fuerza se garantiza principalmente mediante el endurecimiento del trabajo. La microestructura de los pernos no templados y revenidos es completamente diferente de la de los pernos templados y revenidos, y exhibe una fuerte resistencia a la fractura retardada. Los pernos no templados utilizan materiales con un mayor contenido de carbono que los pernos templados. Mediante enfriamiento controlado y tratamiento térmico durante la etapa de palanquilla, se puede lograr una gran reducción de área. Después del endurecimiento por trabajo mediante trefilado, un endurecimiento adicional durante la etapa de formación del perno garantiza la resistencia del perno. Si bien los pernos ordinarios no se templan después de formarlos, deben someterse a un proceso de pavonado para eliminar la tensión interna causada por el forjado en frío. La desventaja es que la dureza del material es mayor que la de los pernos templados, lo que los hace muy difíciles de formar. Actualmente, la resistencia de los pernos no templados utilizados en los motores es de 1600 MPa, y la resistencia de los pernos no templados utilizados en las carrocerías de los vehículos ha alcanzado los 1400 MPa. Se espera que la demanda de estos pernos-de alta resistencia aumente aún más en el futuro.
