Rosca de tornillo

Una rosca de tornillo es una estructura helicoidal que se utiliza para convertir entre movimiento o fuerza rotacional y lineal. Una rosca de tornillo es una cresta que envuelve un cilindro o cono en forma de hélice; la primera se denomina rosca recta y la segunda, rosca cónica . Una rosca de tornillo es la característica esencial del tornillo como máquina simple y también como elemento de fijación roscado .

La ventaja mecánica de una rosca de tornillo depende de su paso , que es la distancia lineal que recorre el tornillo en una revolución. ^[1] En la mayoría de las aplicaciones, el paso de una rosca de tornillo se elige de modo que la fricción sea suficiente para evitar que el movimiento lineal se convierta en rotatorio, es decir, de modo que el tornillo no se deslice incluso cuando se aplica una fuerza lineal, siempre que no haya una fuerza de rotación externa presente. Esta característica es esencial para la gran mayoría de sus usos. El apriete de la rosca de un tornillo de fijación es comparable a introducir una cuña en un hueco hasta que se adhiera rápidamente mediante la fricción y una ligera deformación elástica .

Las roscas de tornillo tienen varias aplicaciones:

• Fijación:
  • Elementos de fijación como tornillos para madera , tornillos de plástico, tornillos para máquinas , tuercas y pernos .
  • Conexión de tubos y mangueras roscadas entre sí y con tapas y accesorios.
• Reducción de engranajes mediante transmisiones por tornillo sin fin
• Mover objetos linealmente convirtiendo el movimiento rotatorio en movimiento lineal, como en el tornillo de avance de un gato .
• Medir correlacionando el movimiento lineal con el movimiento rotatorio (y simultáneamente amplificándolo), como en un micrómetro .
• Ambos objetos se mueven linealmente y simultáneamente miden el movimiento, combinando las dos funciones mencionadas, como en un husillo de un torno .

En todas estas aplicaciones, la rosca tiene dos funciones principales:

• Convierte el movimiento rotatorio en movimiento lineal.
• Evita el movimiento lineal sin la rotación correspondiente.

Cada par de roscas coincidentes, externa e interna , se puede describir como macho y hembra . En términos generales, las roscas de una superficie externa se consideran macho, mientras que las de una superficie interna se consideran hembra. Por ejemplo, un tornillo tiene roscas macho, mientras que su orificio correspondiente (ya sea en la tuerca o en el sustrato) tiene roscas hembra. Esta propiedad se denomina género . El ensamblaje de un sujetador con rosca macho a uno con rosca hembra se denomina acoplamiento .

La hélice de un hilo puede torcerse en dos direcciones posibles, lo que se conoce como lateralidad . La mayoría de los hilos están orientados de manera que el elemento roscado, cuando se ve desde un punto de vista en el eje que pasa por el centro de la hélice, se aleja del espectador cuando se gira en el sentido de las agujas del reloj , y se acerca al espectador cuando se gira en el sentido contrario a las agujas del reloj. Esto se conoce como hilo de mano derecha ( RH ), porque sigue la regla de agarre de mano derecha . Los hilos orientados en la dirección opuesta se conocen como de mano izquierda ( LH ).

Por convención común, la rosca de tornillo se hace a la derecha por defecto. Por lo tanto, la mayoría de las piezas y elementos de fijación roscados tienen roscas a la derecha. Las aplicaciones de roscas a la izquierda incluyen:

• Cuando la rotación de un eje haría que una tuerca convencional de giro a la derecha se aflojara en lugar de apretarse debido al par aplicado o a la precesión inducida por desgaste . Algunos ejemplos incluyen:
  • El pedal izquierdo de una bicicleta ^[2]
  • La muela de afilar izquierda en una amoladora de banco
  • Las tuercas del eje, o con menos frecuencia, las tuercas de las ruedas del lado izquierdo de algunos automóviles.
  • La tuerca de seguridad en algunas hojas de sierra circular: el gran par de torsión al arrancar debería tender a apretar la tuerca
  • El husillo de los cabezales de desbrozadora y desbrozadora de hilo , de modo que el par tiende a apretar en lugar de aflojar la conexión.
  • La tuerca apretada a mano que sujeta la paleta del ventilador al eje del motor en muchos diseños de ventiladores de mesa oscilantes y ventiladores de suelo.
• En combinación con roscas a derechas en tensores y pernos de sujeción ^[3]
• En algunas conexiones de suministro de gas, para evitar conexiones erróneas peligrosas, por ejemplo:
  • En la soldadura a gas, el suministro de gas inflamable utiliza roscas zurdas, mientras que el suministro de oxígeno, si lo hay, tiene una rosca convencional.
  • La válvula POL para cilindros de GLP
• En una situación en la que no se puede girar ninguno de los extremos roscados de la tubería para apretar o aflojar la unión (por ejemplo, en tuberías de calefacción tradicionales que pasan por varias habitaciones de un edificio). En tal caso, el acoplamiento tendrá una rosca a derechas y otra a izquierdas.
• En algunos casos, por ejemplo los primeros bolígrafos , para proporcionar un método "secreto" de desmontaje.
• En los proyectiles de artillería, todo lo que se enrosque en el proyectil debe tener en cuenta lo que sucederá cuando se dispare el proyectil, por ejemplo, todo lo que se enrosque en la base desde la parte inferior del proyectil debe tener rosca izquierda.
• En mecanismos para dar una acción más intuitiva como:
  • El tornillo de avance del carro transversal de un torno hace que el carro transversal se aleje del operador cuando el tornillo de avance se gira en el sentido de las agujas del reloj.
  • El tornillo de profundidad de corte de un cepillo de metal (herramienta) tipo "Bailey" (o "Stanley-Bailey") para que la hoja se mueva en la dirección de un dedo regulador de la mano derecha
• Algunas lámparas y accesorios con base Edison (como los que se usaban anteriormente en el metro de la ciudad de Nueva York o el material rodante Sprague-Thomson del metro de París anterior a la Primera Guerra Mundial ) tienen una rosca a la izquierda para disuadir el robo, porque no se pueden usar en otros artefactos de iluminación.

La forma de la sección transversal de una rosca se denomina a menudo forma o forma de rosca (también se escribe forma de rosca ). Puede ser cuadrada , triangular , trapezoidal u otras formas. Los términos forma y forma de rosca a veces se refieren a todos los aspectos de diseño tomados en conjunto (forma de la sección transversal, paso y diámetros), pero comúnmente se refieren a la geometría estandarizada que utiliza el tornillo. Las principales categorías de roscas incluyen roscas de máquina, roscas de material y roscas de potencia.

La mayoría de las formas de rosca triangulares se basan en un triángulo isósceles . Por lo general, se las llama roscas en V o roscas en V debido a la forma de la letra V. Para las roscas en V de 60°, el triángulo isósceles es, más específicamente, equilátero . Para las roscas de contrafuerte , el triángulo es escaleno.

El triángulo teórico suele estar truncado en distintos grados (es decir, la punta del triángulo se corta demasiado). Una rosca en V en la que no hay truncamiento (o una cantidad minúscula considerada despreciable) se denomina rosca en V afilada . El truncamiento se produce (y está codificado en las normas) por razones prácticas: la herramienta para cortar o formar roscas prácticamente no puede tener una punta perfectamente afilada y, de todos modos, el truncamiento es deseable, porque de lo contrario:

• El filo de la herramienta de corte o formación se romperá con demasiada facilidad;
• Las crestas de la rosca de la pieza o del sujetador tendrán rebabas al cortarlas y serán demasiado susceptibles a futuras rebabas adicionales como resultado de abolladuras (mellas);
• Las raíces y las crestas de las roscas macho y hembra acopladas necesitan espacio libre para garantizar que los lados inclinados de la V se unan correctamente a pesar del error en el diámetro de paso y la suciedad y las rebabas inducidas por mellas.
• La punta de la rosca añade poca resistencia a la rosca.

En los husillos de bolas , los pares macho-hembra tienen bolas de apoyo entre ellos. Los husillos de rodillos utilizan formas de rosca convencionales y rodillos roscados en lugar de bolas.

El ángulo incluido característico de la forma de la sección transversal se suele denominar ángulo de rosca . Para la mayoría de las roscas en V, este valor está estandarizado en 60 grados , pero se puede utilizar cualquier ángulo. La sección transversal para medir este ángulo se encuentra en un plano que incluye el eje del cilindro o cono en el que se produce la rosca.

El avance ( / ˈ l iː d / ) y el paso son conceptos estrechamente relacionados. Pueden confundirse porque son lo mismo para la mayoría de los tornillos. El avance es la distancia a lo largo del eje del tornillo que cubre una rotación completa de la rosca del tornillo (360°). El paso es la distancia desde la cresta de una rosca hasta la siguiente en el mismo punto.

Debido a que la gran mayoría de las formas de rosca de los tornillos son de una sola entrada , su avance y paso son los mismos. Una sola entrada significa que solo hay una "cresta" envuelta alrededor del cilindro del cuerpo del tornillo. Cada vez que el cuerpo del tornillo gira una vuelta (360°), ha avanzado axialmente por el ancho de una cresta. "Doble entrada" significa que hay dos "crestas" envueltas alrededor del cilindro del cuerpo del tornillo. ^[4] Cada vez que el cuerpo del tornillo gira una vuelta (360°), ha avanzado axialmente por el ancho de dos crestas. Otra forma de expresar esto es que el avance y el paso están relacionados paramétricamente, y el parámetro que los relaciona, el número de entradas, muy a menudo tiene un valor de 1, en cuyo caso su relación se vuelve igual. En general, el avance es igual al paso multiplicado por el número de entradas.

Mientras que las roscas métricas se definen generalmente por su paso, es decir, cuánta distancia hay por rosca, las normas basadas en pulgadas suelen utilizar la lógica inversa, es decir, cuántas roscas hay por cada distancia dada. Por lo tanto, las roscas basadas en pulgadas se definen en términos de roscas por pulgada (TPI). El paso y el TPI describen la misma propiedad física subyacente, solo que en términos diferentes. Cuando se utiliza la pulgada como unidad de medida para el paso, el TPI es el recíproco del paso y viceversa. Por ejemplo, una rosca de 1 ⁄ 4 -20 tiene 20 TPI, lo que significa que su paso es de 1 ⁄ 20 pulgadas (0,050 pulgadas o 1,27 mm).

Como la distancia desde la cresta de un hilo hasta el siguiente, el tono se puede comparar con la longitud de onda de una onda . Otra analogía con las ondas es que el tono y el TPI son inversos entre sí, de manera similar a que el período y la frecuencia son inversos entre sí.

Las roscas gruesas son aquellas con un paso mayor (menos roscas por distancia axial), y las roscas finas son aquellas con un paso menor (más roscas por distancia axial). Las roscas gruesas tienen una forma de rosca mayor en relación con el diámetro del tornillo, mientras que las roscas finas tienen una forma de rosca menor en relación con el diámetro del tornillo. Esta distinción es análoga a la que existe entre los dientes gruesos y los dientes finos de una sierra o una lima , o entre el grano grueso y el grano fino del papel de lija .

Las normas comunes de rosca en V ( ISO 261 y Unified Thread Standard ) incluyen un paso grueso y un paso fino para cada diámetro principal. Por ejemplo, 1 ⁄ 2 -13 pertenece a la serie UNC (Unified National Coarse) y 1 ⁄ 2 -20 pertenece a la serie UNF (Unified National Fine). De manera similar, M10 (diámetro exterior nominal de 10 mm) según ISO 261 tiene una versión de rosca gruesa con un paso de 1,5 mm y una versión de rosca fina con un paso de 1,25 mm.

El término grueso no significa aquí menor calidad, ni el término fino implica mayor calidad. Los términos utilizados en referencia al paso de rosca de un tornillo no tienen nada que ver con las tolerancias utilizadas (grado de precisión) ni con la cantidad de mano de obra, calidad o costo. Simplemente se refieren al tamaño de las roscas en relación con el diámetro del tornillo.

Las roscas gruesas son más resistentes al desgaste y al roscado cruzado porque tienen un mayor acoplamiento de flanco. Las roscas gruesas se instalan mucho más rápido, ya que requieren menos vueltas por unidad de longitud. Las roscas más finas son más fuertes, ya que tienen un área de tensión más grande para la misma rosca de diámetro. Las roscas finas tienen menos probabilidades de aflojarse por vibración, ya que tienen un ángulo de hélice más pequeño y permiten un ajuste más preciso. Las roscas más finas desarrollan una mayor precarga con un menor par de apriete. ^[5]

Hay tres diámetros característicos ( ⌀ ) de roscas: diámetro mayor , diámetro menor y diámetro de paso : los estándares de la industria especifican límites mínimos (mín.) y máximos (máx.) para cada uno de estos, para todos los tamaños de rosca reconocidos. Los límites mínimos para los tamaños de rosca externa (o perno , en la terminología ISO) y los límites máximos para los tamaños de rosca interna ( tuerca ) están ahí para garantizar que las roscas no se desgasten en los límites de resistencia a la tracción del material original. Los límites mínimos para las roscas internas y los límites máximos para las externas están ahí para garantizar que las roscas encajen entre sí.

El diámetro mayor de las roscas es el mayor de los dos diámetros extremos que delimitan la altura del perfil de la rosca, tal como se observa en una vista transversal tomada en un plano que contiene el eje de las roscas. En el caso de un tornillo, este es su diámetro exterior (OD). El diámetro mayor de una tuerca no se puede medir directamente (ya que está obstruido por las propias roscas), pero se puede comprobar con calibres pasa/no pasa.

El diámetro mayor de las roscas externas normalmente es menor que el diámetro mayor de las roscas internas, si las roscas están diseñadas para encajar entre sí. Pero este requisito por sí solo no garantiza que un perno y una tuerca del mismo paso encajen entre sí: el mismo requisito debe hacerse por separado para los diámetros menor y de paso de las roscas. Además de proporcionar una holgura entre la cresta de las roscas del perno y la base de las roscas de la tuerca, también se debe asegurar que las holguras no sean tan excesivas como para provocar que los sujetadores fallen.

El diámetro menor es el diámetro extremo inferior de la rosca. El diámetro mayor menos el diámetro menor, dividido por dos, es igual a la altura de la rosca. El diámetro menor de una tuerca es su diámetro interior. El diámetro menor de un tornillo se puede medir con calibres pasa/no pasa o, directamente, con un comparador óptico .

Como se muestra en la figura de la derecha, las roscas de igual paso y ángulo que tienen diámetros menores coincidentes, con diámetros mayores y de paso diferentes, pueden parecer que encajan perfectamente, pero solo lo hacen radialmente; las roscas que solo tienen diámetros mayores coincidentes (no se muestran) también podrían visualizarse como si no permitieran el movimiento radial. La condición reducida del material , debido a los espacios no utilizados entre las roscas, debe minimizarse para no debilitar demasiado los sujetadores.

Para que una rosca macho encaje en la rosca hembra correspondiente, los diámetros mayor y menor de la rosca hembra deben ser ligeramente mayores que los diámetros mayor y menor del macho. Sin embargo, este exceso no suele aparecer en las tablas de tamaños. Los calibradores miden el diámetro menor de la rosca hembra (diámetro interior, DI), que es menor que la medida del calibrador del diámetro mayor del macho (diámetro exterior, DE). Por ejemplo, las tablas de medidas del calibrador muestran 0,69 DI de la rosca hembra y 0,75 DE del macho para los estándares de roscas "3/4 SAE J512" y "3/4-14 UNF JIS SAE-J514 ISO 8434-2". ^[6] Nótese que las roscas hembra se identifican por el diámetro mayor del macho correspondiente (3/4 de pulgada), no por la medida real de las roscas hembra.

El diámetro de paso (PD o D ₂ ) de una rosca particular, interna o externa, es el diámetro de una superficie cilíndrica, axialmente concéntrica a la rosca, que interseca los flancos de la rosca en puntos equidistantes. Cuando se observa en un plano de sección transversal que contiene el eje de la rosca, la distancia entre estos puntos es exactamente la mitad de la distancia de paso. De manera equivalente, una línea que corre paralela al eje y a una distancia D ₂ de él, la "línea PD", corta la forma de V aguda de la rosca, que tiene flancos coincidentes con los flancos de la rosca bajo prueba, exactamente al 50% de su altura. Hemos asumido que los flancos tienen la forma, el ángulo y el paso adecuados para el estándar de rosca especificado. Generalmente no está relacionado con los diámetros mayor ( D ) y menor ( D ₁ ), especialmente si se desconocen los truncamientos de cresta y raíz de la forma de V aguda en estos diámetros. Si todo lo demás fuera ideal, D ₂ , D y D ₁ , en conjunto, describirían completamente la forma de la rosca. El conocimiento de PD determina la posición de la forma de la rosca en V aguda, cuyos lados coinciden con los lados rectos de los flancos de la rosca: por ejemplo, la cresta de la rosca externa truncaría estos lados un desplazamiento radial D  −  D ₂ alejándose de la posición de la línea PD.

Siempre que existan holguras moderadas no negativas entre la base y la cresta de las roscas opuestas, y todo lo demás sea ideal, si los diámetros de paso de un tornillo y una tuerca coinciden exactamente, no debería haber holgura alguna entre los dos tal como están ensamblados, incluso en presencia de holguras positivas entre la raíz y la cresta. Este es el caso cuando los flancos de las roscas entran en contacto íntimo entre sí, antes de que lo hagan las raíces y las crestas, si es que lo hacen.

Sin embargo, en la práctica, esta condición ideal solo sería aproximada y generalmente requeriría un ensamblaje asistido por llave, lo que posiblemente causaría el desgaste de las roscas. Por esta razón, generalmente se debe prever algún margen , o diferencia mínima, entre los PD de las roscas internas y externas, para eliminar la posibilidad de que las desviaciones de la forma ideal de la rosca provoquen interferencias y para agilizar el ensamblaje manual hasta la longitud de acoplamiento. Tales márgenes, o desviaciones fundamentales , como las llaman las normas ISO, se prevén en varios grados en clases de ajuste correspondientes para rangos de tamaños de rosca. En un extremo, una clase no prevé ningún margen, pero se especifica que el PD máximo de la rosca externa sea el mismo que el PD mínimo de la rosca interna, dentro de tolerancias especificadas, lo que garantiza que las dos se puedan ensamblar, con cierta holgura de ajuste aún posible debido al margen de tolerancia. Una clase llamada ajuste por interferencia puede incluso prever márgenes negativos, donde el PD del tornillo es mayor que el PD de la tuerca por al menos la cantidad del margen.

El diámetro de paso de las roscas externas se mide mediante varios métodos:

• Un tipo específico de micrómetro , llamado micrófono de rosca o micrófono de paso, que tiene un yunque en V y una punta de husillo cónico, entra en contacto con los flancos de la rosca para una lectura directa.
• Se utiliza un micrómetro de uso general (yunque plano y husillo) sobre un conjunto de tres alambres que descansan sobre los flancos de la rosca, y se resta una constante conocida de la lectura. (Los alambres son realmente clavijas de calibración, que se rectifican hasta alcanzar un tamaño preciso, aunque su nombre común es "alambres"). Este método se denomina método de los 3 alambres. A veces se utiliza grasa para mantener los alambres en su lugar, lo que ayuda al usuario a colocar la pieza, el micrófono y los alambres en su posición.
• También se puede utilizar un comparador óptico para determinar la PD gráficamente.

La forma en que los machos y hembras se ajustan entre sí, incluidos el juego y la fricción, se clasifica (categoriza) en los estándares de roscas. Lograr una determinada clase de ajuste requiere la capacidad de trabajar dentro de los rangos de tolerancia para la dimensión (tamaño) y el acabado de la superficie . Definir y lograr clases de ajuste es importante para la intercambiabilidad . Las clases incluyen 1, 2, 3 (flojo a apretado); A (externo) y B (interno); y varios sistemas como los límites H y D.

El límite de rosca o límite de diámetro de paso es un estándar utilizado para clasificar la tolerancia del diámetro de paso de rosca para machos de roscar . Para el sistema imperial, se utilizan límites H o L que designan cuántas unidades de 0,0005 pulgadas sobre o subdimensionan el diámetro de paso de su valor básico, respectivamente. Por lo tanto, un macho de roscar designado con un límite H de 3, denotado H3 , tendría un diámetro de paso 0,0005 × 3 = 0,0015 pulgadas más grande que el diámetro de paso base y, por lo tanto, daría como resultado el corte de una rosca interna con un ajuste más suelto que, por ejemplo, un macho de roscar H2. El sistema métrico utiliza límites D o DU, que es el mismo sistema que el imperial, pero utiliza designadores D o DU para sobre o subdimensionados respectivamente, y se rige por unidades de 0,013 mm (0,51 milésimas de pulgada). ^[7] Generalmente, los machos de roscar vienen en el rango de H1 a H5 y rara vez L1.

El diámetro de paso de una rosca se mide donde la sección transversal radial de una sola rosca es igual a la mitad del paso, por ejemplo: rosca de paso 16 = 1 ⁄ 16 pulg. = 0,0625 pulg . El diámetro de paso real de la rosca se mide en la sección transversal radial y mide 0,03125 pulg.   

Para lograr un acoplamiento predecible y exitoso de las roscas macho y hembra y una intercambiabilidad asegurada entre machos y hembras, deben existir y respetarse estándares de forma, tamaño y acabado. La estandarización de las roscas se analiza a continuación.

Las roscas de los tornillos casi nunca se hacen perfectamente afiladas (sin truncamiento en la cresta o la raíz), sino que se truncan, lo que produce una profundidad de rosca final que se puede expresar como una fracción del valor del paso. Las normas UTS e ISO codifican la cantidad de truncamiento, incluidos los rangos de tolerancia.

Una rosca en V de 60° perfectamente afilada tendrá una profundidad de rosca ("altura" desde la raíz hasta la cresta) igual a 0,866 del paso. Este hecho es intrínseco a la geometría de un triángulo equilátero, un resultado directo de las funciones trigonométricas básicas . Es independiente de las unidades de medida (pulgadas frente a mm). Sin embargo, las roscas UTS e ISO no son roscas afiladas. Los diámetros mayor y menor delimitan truncamientos a cada lado de la V afilada.

El diámetro nominal de las roscas métricas (p. ej., M8) y unificadas (p. ej., 5 ⁄ 16  in) es el diámetro mayor teórico de la rosca macho, que se trunca (diametralmente) en 0,866 ⁄ 4 del paso de la dimensión sobre las puntas de los triángulos "fundamentales" (con esquinas agudas). Las superficies planas resultantes en las crestas de la rosca macho tienen teóricamente un octavo del ancho del paso (expresado con la notación 1 ⁄ 8 p o 0,125 p ), aunque la definición de geometría real tiene más variables que eso. Una rosca UTS o ISO completa (100 %) tiene una altura de alrededor de 0,65 p .

Las roscas se pueden truncar (y a menudo se hacen) un poco más, lo que produce profundidades de rosca de entre el 60 % y el 75 % del valor p de 0,65 . Por ejemplo, una rosca del 75 % sacrifica solo una pequeña cantidad de resistencia a cambio de una reducción significativa de la fuerza necesaria para cortar la rosca. El resultado es que se reduce el desgaste de los machos de roscar y las matrices , se reduce la probabilidad de rotura y, a menudo, se pueden emplear velocidades de corte más altas.

Este truncamiento adicional se logra utilizando una broca de roscar ligeramente más grande en el caso de roscas hembra, o reduciendo ligeramente el diámetro del área roscada de la pieza de trabajo en el caso de roscas macho, lo que reduce de manera efectiva el diámetro mayor de la rosca. En el caso de roscas hembra, las tablas de brocas de roscar generalmente especifican tamaños que producirán una rosca de aproximadamente el 75 %. Una rosca del 60 % puede ser apropiada en casos en los que no se espera una carga de tracción alta. En ambos casos, el diámetro de paso no se ve afectado. El equilibrio entre el truncamiento y la resistencia de la rosca es similar a muchas decisiones de ingeniería que involucran la resistencia, el peso y el costo del material, así como el costo de mecanizarlo.

Las roscas cónicas se utilizan en elementos de fijación y tuberías. Un ejemplo común de un elemento de fijación con una rosca cónica es un tornillo para madera .

Las tuberías roscadas que se utilizan en algunas instalaciones de plomería para el suministro de fluidos a presión tienen una sección roscada que es ligeramente cónica . Algunos ejemplos son las series NPT y BSP . El sello que proporciona una unión de tubería roscada se crea cuando un extremo cónico con rosca externa se aprieta en un extremo con roscas internas. Para la mayoría de las uniones de tuberías, un buen sello requiere la aplicación de un sellador separado en la unión, como cinta selladora de roscas o un sellador de tuberías líquido o en pasta, como el sellador de tuberías .

El concepto de rosca de tornillo parece haber sido inventado por primera vez por Arquímedes , quien escribió brevemente sobre espirales y diseñó varios dispositivos simples que aplicaban el principio del tornillo. Leonardo da Vinci comprendió el principio del tornillo y dejó dibujos que mostraban cómo se podían cortar roscas a máquina. En el siglo XVI, aparecieron tornillos en los relojes alemanes y se usaron para sujetar armaduras. En 1569, Besson inventó el torno para cortar tornillos , pero el método no ganó fuerza y ​​los tornillos continuaron fabricándose en gran medida a mano durante otros 150 años. En el siglo XIX, la fabricación de tornillos comenzó en Inglaterra durante la Revolución Industrial . En esa época, no existía la estandarización. Los pernos fabricados por un fabricante no encajaban en las tuercas de otro. ^[8]

La estandarización de las roscas de los tornillos ha evolucionado desde principios del siglo XIX para facilitar la compatibilidad entre diferentes fabricantes y usuarios. El proceso de estandarización aún está en curso; en particular, todavía existen normas de roscas en pulgadas y métricas (por lo demás idénticas) que compiten entre sí y que se utilizan ampliamente. ^[9] Las roscas estándar se identifican comúnmente mediante códigos de letras cortas (M, UNC, etc.) que también forman el prefijo de las designaciones estandarizadas de las roscas individuales.

Los estándares de productos adicionales identifican los tamaños de rosca preferidos para tornillos y tuercas, así como los tamaños correspondientes de cabezas de pernos y tuercas, para facilitar la compatibilidad entre llaves y otras herramientas.

Las roscas más comunes en uso son las roscas métricas ISO (M) para la mayoría de los propósitos y las roscas BSP (R, G) para tuberías.

Estas fueron estandarizadas por la Organización Internacional de Normalización (ISO) en 1947. Aunque las roscas métricas fueron unificadas en su mayoría en 1898 por el Congreso Internacional para la estandarización de roscas de tornillos, se usaron estándares de rosca métrica separados en Francia, Alemania y Japón, y los suizos tenían un conjunto de roscas para relojes.

En determinadas aplicaciones y regiones, se siguen utilizando comúnmente roscas distintas de las roscas métricas ISO, a veces debido a requisitos de aplicación especiales, pero principalmente por razones de compatibilidad con versiones anteriores :

• El estándar de rosca unificado (UTS) es el estándar de rosca dominante que se utiliza en los Estados Unidos y Canadá. Se define en la norma ANSI/ASME B1.1 Unified Inch Screw Threads (UN and UNR Thread Form). En algunos casos, los productos todavía se fabrican de acuerdo con la antigua American National Standard Series , que tiene especificaciones ligeramente diferentes y ha quedado técnicamente obsoleta desde 1949. El antiguo estándar nacional es compatible con el nuevo estándar unificado, pero está desactualizado desde hace mucho tiempo. ^[10] Este estándar unificado incluye:
  • Unified Coarse (UNC), el sucesor del obsoleto hilo National Coarse (NC).
  • Multa Unificada (UNF), sucesora del obsoleto hilo Multa Nacional (NF).
  • Extrafino Unificado (UNEF)
  • Especial Unificado (UNS)
• Rosca de tubería nacional , utilizada en América del Norte para diversos fines.
  • Cono de tubería nacional (NPT)
  • National Pipe Taper Fuel (NPTF), también conocido como Dryseal, una versión de mejor sellado del NPT.
  • Accesorios para rieles cónicos de tuberías nacionales (NPTR)
  • Acoplamiento recto de tubería nacional (NPSC)
  • Tubo recto mecánico nacional (NPSM)
  • Tuerca de seguridad recta para tuberías nacionales (NPSL)
  • Acoplamiento de manguera recta de National Pipe (NPSH)
• British Standard Whitworth (BSW) y otras roscas Whitworth, incluidas:
  • Multa estándar británica (BSF)
  • Instituto de Ingenieros de Ciclismo (CEI) o Instituto de Ingenieros de Ciclismo Británico (BSC)
• Rosca de tubería estándar británica (BSP) que existe en una variante cónica y no cónica; también se utiliza para otros fines
  • Cono cónico para tuberías según la norma británica (BSPT)
• Roscas de tornillo de la Asociación Británica (BA), principalmente electrónicas/eléctricas, medidores de bobina móvil y para montar lentes ópticas
• Roscas de refuerzo según la norma británica (BS 1657:1950)
• Norma británica para bujías BS 45:1972
• Rosca de latón estándar británico de paso fijo de 26 TPI
• Hilos del Glass Packaging Institute (GPI), principalmente para botellas y viales de vidrio
• Roscas de tornillos de potencia
  • Forma de rosca Acme
  • Forma de rosca cuadrada
  • Hilo de contrafuerte
• La rosca de la Royal Microscopical Society (RMS), también conocida como rosca de la sociedad , es una forma especial de rosca Whitworth de 0,8 pulgadas de diámetro × 36 hilos por pulgada (TPI) que se utiliza para lentes de objetivos de microscopios .
• Soportes de micrófono :
  • 5 ⁄ 8 pulgadas 27 hilos por pulgada (TPI) Rosca especial unificada (UNS, EE. UU. y el resto del mundo)
  • 1 ⁄ 4 pulgada BSW (no es común en los EE. UU., pero se usa en el resto del mundo)
  • 3 ⁄ 8 pulgadas BSW (no es común en los EE. UU., pero se usa en el resto del mundo)
• Pernos de suspensión para iluminación de escenario (solo en algunos países; algunos han adoptado el sistema métrico, otros, como Australia, han vuelto a las roscas BSW o nunca las han convertido por completo):
  • BSW de 3 ⁄ 8 pulgadas para luminarias más livianas
  • BSW de 1 ⁄ 2 pulgada para luminarias más pesadas
• Roscas para tornillos autorroscantes (ST) – ISO 1478
• Roscas en pulgadas aeroespaciales (UNJ) – ISO 3161, radio de raíz controlado en roscas macho para mayor resistencia a la fatiga con diámetro menor más grande en roscas hembra para dejar libre el radio.
• Roscas métricas aeroespaciales (MJ) – ISO 5855
• Roscas de válvulas de neumáticos (V) – ISO 4570
• Tornillos óseos metálicos (HA, HB) – ISO 5835
• Panzergewinde (Pg) (alemán) es una antigua rosca alemana de 80° (DIN 40430) que se utilizó hasta el año 2000 en algunos accesorios de instalación eléctrica en Alemania.
• Fahrradgewinde (Fg) (en español: rosca de bicicleta) es un estándar alemán para roscas de bicicleta (según DIN 79012 y DIN 13.1), que abarca muchas roscas CEI y BSC que se utilizan en bicicletas y ciclomotores en todas partes (http://www.fahrradmonteur.de/fahrradgewinde.php)
• Rosca de tornillo para portalámparas incandescentes con base Edison
• Conexión de manguera contra incendios ( norma NFPA 194)
• Roscas de tornillo de acoplamiento de mangueras (ANSI/ASME B1.20.7-1991 [R2003]) para mangueras de jardín y accesorios
• Rosca Löwenherz , ^[11] rosca métrica alemana utilizada para instrumentos de medición ^[12]
• Hilo para máquina de coser ^[13]

La primera estandarización intraempresarial de importancia histórica de las roscas de tornillos comenzó con Henry Maudslay alrededor de 1800, cuando el torno de corte de tornillos moderno convirtió los tornillos para máquinas con rosca en V intercambiables en un producto práctico. ^[14] Durante los siguientes 40 años, la estandarización continuó ocurriendo a nivel intraempresarial e interempresarial. ^[15] Sin duda, muchos mecánicos de la época participaron en este espíritu de la época; Joseph Clement fue uno de los que la historia ha destacado.

En 1841, Joseph Whitworth creó un diseño que, a través de su adopción por muchas compañías ferroviarias británicas, se convirtió en un estándar para el Reino Unido y el Imperio Británico llamado British Standard Whitworth . Durante la década de 1840 a 1860, este estándar también se usó a menudo en los Estados Unidos, además de una miríada de estándares intra e intercompañías. En abril de 1864, William Sellers presentó un documento al Instituto Franklin en Filadelfia , proponiendo un nuevo estándar para reemplazar la práctica de rosca de tornillo mal estandarizada de los EE. UU. Sellers simplificó el diseño de Whitworth al adoptar un perfil de rosca de 60° y una punta aplanada (en contraste con el ángulo de 55° y la punta redondeada de Whitworth). ^{[16] [17]} El ángulo de 60° ya era de uso común en Estados Unidos, ^[18] pero el sistema de Sellers prometía hacerlo consistente y todos los demás detalles de la forma de la rosca.

La rosca Sellers, más fácil de producir, se convirtió en un estándar importante en los EE. UU. a fines de la década de 1860 y principios de la de 1870, cuando se eligió como estándar para el trabajo realizado bajo contratos del gobierno de EE. UU., y también fue adoptada como estándar por corporaciones de la industria ferroviaria muy influyentes como Baldwin Locomotive Works y Pennsylvania Railroad . Otras empresas la adoptaron y pronto se convirtió en un estándar nacional para los EE. UU., ^[18] más tarde se conoció generalmente como la rosca estándar de los Estados Unidos (rosca USS). Durante los siguientes 30 años, la norma se definió y amplió aún más y evolucionó hasta convertirse en un conjunto de normas que incluyen National Coarse (NC), National Fine (NF) y National Pipe Taper (NPT).

Mientras tanto, en Gran Bretaña, también se desarrollaron y perfeccionaron las roscas de tornillo de la Asociación Británica para pequeños instrumentos y equipos eléctricos. Estas se basaban en la rosca métrica Thury , pero, al igual que Whitworth, etc., se definían utilizando unidades imperiales .

Durante esta era, en Europa continental, las formas de rosca británicas y estadounidenses eran bien conocidas, pero también estaban evolucionando varias normas de rosca métrica , que generalmente empleaban perfiles de 60°. Algunas de estas evolucionaron hasta convertirse en normas nacionales o cuasi nacionales. En su mayoría, se unificaron en 1898 por el Congreso Internacional para la Estandarización de Roscas de Tornillo en Zúrich , que definió las nuevas normas internacionales de rosca métrica como teniendo el mismo perfil que la rosca Sellers, pero con tamaños métricos. A principios del siglo XX se hicieron esfuerzos para convencer a los gobiernos de los EE. UU., el Reino Unido y Canadá para que adoptaran estas normas internacionales de rosca y el sistema métrico en general, pero fueron derrotados con argumentos de que el costo de capital de la reestructuración necesaria haría que algunas empresas pasaran de ganancias a pérdidas y obstaculizaría la economía.

En algún momento entre 1912 y 1916, la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE) creó una "serie SAE" de tamaños de roscas de tornillos que reflejaban el origen de las normas anteriores de la USS y de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME).

A finales del siglo XIX y principios del XX, los ingenieros descubrieron que garantizar la intercambiabilidad fiable de las roscas de los tornillos era una tarea compleja y polifacética que no era tan sencilla como estandarizar el diámetro y el paso principales de una determinada rosca. Fue durante esta época cuando los análisis más complejos pusieron de manifiesto la importancia de variables como el diámetro del paso y el acabado de la superficie.

Durante la Primera Guerra Mundial y el período de entreguerras que siguió se realizó una enorme cantidad de trabajo de ingeniería en pos de una intercambiabilidad confiable. Se estandarizaron las clases de ajuste y se desarrollaron nuevas formas de generar e inspeccionar las roscas de los tornillos (como las máquinas rectificadoras de roscas de producción y los comparadores ópticos ). Por lo tanto, en teoría, se podría esperar que al comienzo de la Segunda Guerra Mundial, el problema de la intercambiabilidad de las roscas de los tornillos ya se hubiera resuelto por completo. Desafortunadamente, esto resultó ser falso. La intercambiabilidad intranacional estaba muy extendida, pero la intercambiabilidad internacional lo estaba menos. Los problemas con la falta de intercambiabilidad entre las piezas estadounidenses, canadienses y británicas durante la Segunda Guerra Mundial llevaron a un esfuerzo por unificar los estándares basados ​​en pulgadas entre estas naciones estrechamente aliadas, y el Estándar Unificado de Roscas fue adoptado por los Comités de Normalización de Roscas de Tornillos de Canadá, el Reino Unido y los Estados Unidos el 18 de noviembre de 1949, en Washington, DC , con la esperanza de que se adoptaran universalmente. (El estándar UTS original se puede encontrar en la publicación ASA (ahora ANSI), vol. 1, 1949.) UTS consta de Unified Coarse (UNC), Unified Fine (UNF), Unified Extra Fine (UNEF) y Unified Special (UNS). El estándar fue ampliamente adoptado en el Reino Unido, aunque un pequeño número de empresas continuó utilizando los estándares británicos propios del Reino Unido para los microtornillos Whitworth (BSW), British Standard Fine (BSF) y British Association (BA).

Sin embargo, a nivel internacional, el sistema métrico estaba eclipsando a las unidades de medida basadas en pulgadas . En 1947, se fundó la ISO; y en 1960, se creó el Sistema Internacional de Unidades basado en el sistema métrico (abreviado SI del francés Système International ). Con Europa continental y gran parte del resto del mundo recurriendo a la rosca métrica SI e ISO, el Reino Unido se inclinó gradualmente en la misma dirección. La rosca métrica ISO es ahora el estándar que se ha adoptado en todo el mundo y está desplazando lentamente a todos los estándares anteriores, incluido el UTS. En los EE. UU., donde el UTS todavía prevalece, más del 40% de los productos contienen al menos algunas roscas métricas ISO. El Reino Unido ha abandonado por completo su compromiso con el UTS a favor de las roscas métricas ISO, y Canadá está en el medio. La globalización de las industrias produce presión de mercado a favor de la eliminación gradual de los estándares minoritarios. Un buen ejemplo es la industria automotriz ; Las fábricas de autopartes de Estados Unidos desarrollaron hace mucho tiempo la capacidad de cumplir con las normas ISO y hoy en día muy pocas piezas para automóviles nuevos mantienen tamaños basados ​​en pulgadas, independientemente de que se fabriquen en Estados Unidos.

Incluso hoy, más de medio siglo después de que la serie UTS sustituyera a las series USS y SAE, las empresas siguen vendiendo hardware con denominaciones como "USS" y "SAE" para indicar que se trata de tamaños en pulgadas y no métricos. La mayor parte de este hardware se fabrica de hecho según la serie UTS, pero la terminología de etiquetado y catalogación no siempre es precisa.

En los dibujos de ingeniería estadounidenses , ANSI Y14.6 define estándares para indicar piezas roscadas. Las piezas se indican por su diámetro nominal (el diámetro mayor nominal de las roscas de los tornillos), el paso (número de roscas por pulgada) y la clase de ajuste de la rosca. Por ejemplo, “.750-10 UNC-2A” es macho (A) con un diámetro mayor nominal de 0,750 pulgadas, 10 roscas por pulgada y un ajuste de clase 2; “.500-20 UNF-1B” sería hembra (B) con un diámetro mayor nominal de 0,500 pulgadas, 20 roscas por pulgada y un ajuste de clase 1. Una flecha apunta desde esta designación a la superficie en cuestión. ^[19]

Hay muchas maneras de generar una rosca de tornillo, incluidos los tipos sustractivos tradicionales (por ejemplo, varios tipos de corte [de punta única, machos de roscar y matrices, cabezales de matriz, fresado]; moldeo; fundición [fundición a presión, fundición en arena]; formación y laminado; rectificado; y ocasionalmente lapeado para seguir los otros procesos); técnicas aditivas más nuevas ; y combinaciones de las mismas.

Otro punto de inspección común es la rectitud de un perno o tornillo. Este tema surge a menudo cuando hay problemas de montaje con orificios pretaladrados, ya que el primer punto de solución de problemas es determinar si el sujetador o el orificio están defectuosos. La norma ASME B18.2.9 "Calibrador de rectitud y calibración para pernos y tornillos" se desarrolló para abordar este problema. De acuerdo con el alcance de la norma, describe el calibre y el procedimiento para verificar la rectitud de pernos y tornillos en la condición máxima del material (MMC) y proporciona límites predeterminados cuando no se indican en la norma del producto aplicable.

• Bhandari, VB (2007), Diseño de elementos de máquinas, Tata McGraw-Hill, ISBN 978-0-07-061141-2.
• Degarmo, E. Paul; Black, J T.; Kohser, Ronald A. (2003), Materiales y procesos en la fabricación (novena edición), Wiley, ISBN 0-471-65653-4.
• Oberg, Erik; Jones, Franklin D.; Horton, Holbrook L.; Ryffel, Henry H. (1996), Green, Robert E.; McCauley, Christopher J. (eds.), Machinery's Handbook (25.ª ed.), Nueva York: Industrial Press , ISBN 978-0-8311-2575-2, OCLC  473691581.
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• Ryffel, Henry H.; et al. (1988), Manual de maquinaria (23.ª ed.), Nueva York: Industrial Press, ISBN 978-0-8311-1200-4.
• Wilson, Bruce A. (2004), Dimensionamiento y tolerancia de diseño (4.ª ed.), Goodheart-Wilcox, ISBN 1-59070-328-6.

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• Normas internacionales de roscas
• ModelFixings – Datos de subprocesos
• Manual de diseño de sujetadores RP-1228 de la NASA