Aflojamiento de elementos de fijación roscados: elegir entre 10 métodos

1. Por qué este artículo: dos accidentes reales

En junio de 2010 se derrumbó la atracción Space Loos de OCT East, en Shenzhen, con seis muertos y diez heridos. La investigación concluyó que la causa inmediata fue la fractura por fatiga de un tornillo de unión, y que la fractura se inició donde la unión roscada se había aflojado bajo carga cíclica, concentrando la tensión en el fondo de rosca.

En 2007 descarriló un tren de alta velocidad en el Reino Unido. Gong et al. citan el caso en su revisión: la carga cíclica en la interfaz de la rueda hizo que una tuerca se saliera de su tornillo, y ello fue uno de los desencadenantes directos del descarrilamiento.

Ambas uniones empleaban tornillos ordinarios con arandela de muelle. «Arandela de muelle equivale a antiaflojamiento» es casi un reflejo en las oficinas técnicas, pero desde que Junker publicó en 1969 su teoría de la vibración transversal, cinco décadas de ensayos han demostrado que una arandela de muelle conserva la carga previa mucho peor de lo que la mayoría supone.

Este artículo se basa en Review on anti-loosening methods for threaded fasteners (Gong H., Liu J. H., Feng H. H., Chinese Journal of Aeronautics, 2021), junto con NASA-STD-5020, ISO 16047, GB/T 3098 y GB/T 10431. Expone el comportamiento real de diez métodos mayoritarios en una forma que el ingeniero puede contrastar con un plano.

2. Por qué se aflojan las roscas: el mecanismo

Muchos ingenieros suponen que aflojarse significa «que la tuerca giró sola». En realidad es un proceso por etapas.

2.1 La carga previa es la savia de una unión

Al apretar un tornillo, la unión se comprime y el tornillo se estira. Esa tracción es la carga previa F_v. Mientras F_v se mantiene, la unión no puede deslizar y el par de rosca no puede girar. El aflojamiento no consiste en que la tuerca gire: consiste en que la carga previa cae por debajo de un valor crítico, tras lo cual el par de rosca empieza a girar.

La carga previa se pierde por dos vías:

• Relajación elástica y asentamiento: las microasperezas de las caras de unión se aplastan y el contacto fluye, de modo que F_v cae un 5–20 % en minutos o en días.
• Aflojamiento por rotación bajo vibración transversal: los ensayos de Junker de 1969 mostraron que, cuando las placas apretadas se mueven perpendicularmente al eje del tornillo, la fricción en la rosca y en la cara de apoyo desaparece momentáneamente y el tornillo se desenrosca solo por el ángulo de hélice. Es el modo más peligroso y más frecuente.

2.2 El ensayo Junker: un aula común para todos los métodos de bloqueo

Hoy el comportamiento de bloqueo se juzga con el ensayo Junker de vibración transversal (DIN 65151 / ISO 16130 / GB/T 10431). Una excéntrica acciona dos placas en movimiento transversal relativo; el tornillo atraviesa ambas y una célula de carga registra F_v frente al tiempo.

La métrica es la retención de carga previa: la F_v residual dividida entre la F_v inicial tras 2000 ciclos. Cuanto más alta, mejor.

2.3 Cinco variables que fijan la velocidad de aflojamiento

1. Carga previa inicial F_v: cuanto más alta, más segura, pero nunca por encima del límite elástico.
2. Coeficiente de fricción μ en la rosca y en la cara de apoyo: un μ alto frena la rotación, pero la dispersión de μ hace impredecible la carga previa.
3. Amplitud transversal: más deslizamiento relativo entre placas significa un aflojamiento más rápido.
4. Relación entre longitud de apriete y diámetro L/d: un tornillo esbelto absorbe la vibración. Por debajo de L/d = 3 la unión se aflojará casi con certeza.
5. Rigidez de la unión: una placa gruesa y rígida transmite el deslizamiento transversal más fácilmente que una chapa fina o una pieza fundida.

3. Siete métodos de bloqueo convencionales

3.1 Arandela plana

Una arandela plana reparte la carga de apoyo, protege la cara de unión frente a la tuerca en rotación y cubre un taladro sobredimensionado. No aporta bloqueo alguno. Pinelli et al. (2012) hallaron una retención de carga previa esencialmente idéntica con y sin ella.

3.2 Arandela de muelle

Es la pieza más sobrevalorada del catálogo. Se supone que el borde abierto muerde la cara de apoyo y almacena tensión elástica. Los datos de ensayo dicen lo contrario:

• Dravid et al. (2012): los tornillos con arandela de muelle perdieron carga previa antes que los tornillos sin arandela, porque el borde abierto concentra tensiones y acelera el deslizamiento local.
• Pinelli et al., tras 24 meses de servicio de vehículos: ni una sola unión con arandela de muelle conservó carga previa útil.
• El borde abierto raya la cara de unión bajo vibración repetida y se convierte en un punto de inicio de corrosión.

3.3 Arandela Belleville (de disco)

Una arandela de disco cónica almacena deformación elástica y su función real es compensar la relajación: a medida que la unión se asienta, el disco se abre y mantiene la fuerza de apriete. El trabajo de Sawa con el método de elementos finitos muestra un beneficio claro en uniones con gran desajuste térmico (aluminio con acero, apilamientos bimetálicos). No impide el aflojamiento por rotación bajo vibración transversal, por lo que encaja en ciclos térmicos (colectores de escape, intercambiadores de calor) más que en excitación transversal continua (bogies, cribas vibrantes).

3.4 Arandela de bloqueo por cuñas (tipo Nord-Lock)

La solución más adoptada en los últimos 20 años en eólica, ferrocarril y minería. Un par de arandelas: dientes radiales en las caras exteriores, rampas de cuña en las interiores, con el ángulo de cuña α mayor que el ángulo de hélice β de la rosca.

Cualquier intento de desenroscar levanta el tornillo sobre la rampa. Como α > β, la fuerza axial necesaria para subir la rampa supera la que libera el desenroscado, así que cuanto más intenta aflojarse, más se aprieta.

Misiek (2017) y el cálculo por elementos finitos de Lai confirman una retención de carga previa superior al 80 % en un ensayo Junker estándar. Inconvenientes: coste elevado (un par cuesta entre 20 y 50 veces una arandela de muelle), sensibilidad a la planitud en tamaños grandes y falta de idoneidad cuando la holgura del taladro es excesiva.

3.5 Arandela dentada

Los dientes interiores o exteriores muerden la cara de apoyo para lograr un bloqueo mecánico. Es eficaz en materiales blandos (aluminio, plásticos, chapa fina) donde los dientes pueden incrustarse; en acero templado o de alta resistencia los dientes se desgastan hasta quedar planos y el bloqueo se pierde. Además daña gravemente la cara de unión, por lo que conviene evitarla en piezas pintadas o anodizadas.

3.6 Contratuerca

Dos tuercas apretadas entre sí generan una fuerza normal adicional en el par de rosca. Nueve de cada diez uniones con contratuerca en el taller se montan en el orden equivocado.

La secuencia correcta (la práctica de NASA-STD-5020):

1. Aplicar par a la tuerca inferior (de potencia) y sujetarla con una llave;
2. Bajar la tuerca superior (esclava) contra ella hasta que las caras asienten;
3. Apretar ambas entre sí hasta que la fuerza axial entre ellas alcance el 30–50 % del límite elástico.

Zhang et al. (2019) midieron más del triple de retención de carga previa con la secuencia correcta. Con la secuencia equivocada, una contratuerca se comporta como una tuerca simple.

3.7 Tuercas de par de retención con inserto de nailon y totalmente metálicas

Un collar de nailon en la parte superior de la tuerca se expande con el tornillo y añade fricción. Sencilla, desmontable y barata: la tuerca de bloqueo por defecto en automoción y electrónica.

Su debilidad fatal es la temperatura. Por encima de 120 °C el nailon fluye y el par de retención se reduce a menos de la mitad en pocas centenas de horas. Nada de tuercas de nailon en colectores de escape, frenos o piezas de horno.

Las tuercas de par de retención totalmente metálicas (rosca triangular tipo Spiralock, ASTM A194 Grade C) deforman la parte superior de la tuerca en una elipse, una ranura o un engaste. Trabajan hasta 250 °C, pero no deben reutilizarse más de 5–10 veces.

4. Tres métodos de bloqueo más recientes

Los tres ganan cuota rápidamente en aeroespacial, espacio y robótica.

4.1 Tuerca de bloqueo con rosca deformada

Aspecto: las dos o tres últimas roscas de la tuerca pasan de una V de 60° a un fondo curvo (arco de unos 30°). Exteriormente es indistinguible de una tuerca hexagonal, pero al roscarla se nota más dura porque la rosca del tornillo se acuña en lugar de deslizar.

Por qué bloquea: en una tuerca ordinaria la holgura radial en el fondo de rosca permite que el tornillo oscile bajo carga transversal y se desenrosque solo. La rosca deformada traslada el contacto del fondo a la cresta y elimina esa holgura de forma estructural. La retención Junker supera el 90 %, admite 15 reutilizaciones o más y es la opción de crecimiento más rápido en uniones de aeronaves y robots.

4.2 Tuerca SMA de memoria de forma

Fabricada con aleación de níquel-titanio, se calienta por encima de su temperatura de transformación, se expande sobre el tornillo y se deja contraer. La carga previa es un 30 % superior a la de una tuerca convencional, pero el coste es extremo y su uso se limita a puntos críticos de motores aeronáuticos.

4.3 Fijador de roscas (bloqueo químico)

No es un dispositivo mecánico, sino bloqueo químico. Loctite 243 (resistencia media) y 263 (resistencia alta) curan en anaerobiosis y unen el par de rosca en un solo cuerpo.

Cheatham y Dattilio hallaron ambos la mayor retención de carga previa de todos los métodos, sin daño en la cara de unión. Limitaciones: la superficie debe estar limpia (el aceite puede reducir la resistencia de la unión un 70 %), la 243 se puede romper con herramientas manuales a temperatura ambiente mientras que la 263 es permanente y requiere 150 °C o taladrado, y ninguna de las dos sirve para servicio continuo por encima de 150 °C.

5. Tres tablas comparativas

Tabla 1 — diez métodos de bloqueo ordenados por comportamiento Junker

Fuente: Gong et al. 2021, tabla 2. Ensayo Junker estándar (DIN 65151), 2000 ciclos transversales.

Tabla 2 — métodos recomendados por aplicación

Tabla 3 — coste frente a comportamiento

Referido a «arandela de muelle + tuerca simple» = 1×. Multiplicadores en lugar de precios, para poder aplicar las cifras de compra propias.

6. Un marco de selección en siete pasos

Pase cualquier plano por estos siete pasos y la elección suele decidirse sola.

Paso 1 — ¿Hay vibración transversal?

Mueva la unión a mano. Si se aprecia movimiento relativo (> 0.1 mm), o si la aplicación es maquinaria rotativa, vehículos ferroviarios, vehículos de carretera o aerogeneradores, descarte de inmediato las arandelas de muelle y planas y continúe.

Paso 2 — ¿Cuál es la temperatura?

• ≤ 120 °C: las tuercas de nailon son aceptables.
• 120–250 °C: tuerca totalmente metálica, arandela de cuñas o fijador de roscas de alta temperatura.
• > 250 °C: arandela Belleville más fijador de roscas de alta temperatura, o una tuerca totalmente metálica de Inconel.

Paso 3 — ¿Se va a desmontar?

• Acceso frecuente (tapas, paneles de servicio): arandela de cuñas, tuerca totalmente metálica, contratuerca.
• Nunca (estructural): fijador de roscas de alta resistencia.
• Ocasional (mantenimiento anual): 243 de resistencia media.

Paso 4 — ¿Cuál es el material de la unión?

• Aluminio, plásticos, chapa fina: arandela dentada o tuerca de nailon; evitar las arandelas planas que se abomban.
• Acero templado o de alta resistencia: arandela de cuñas o fijador de roscas; los dientes se desgastan hasta quedar planos.
• Fundición: arandela plana más tuerca de par de retención, porque la superficie porosa necesita reparto de carga.

Paso 5 — Comprobar L/d

Por debajo de 3 el tornillo es demasiado rígido para que ningún dispositivo mecánico salve la unión. Añada un casquillo para alargar el apriete, use un tornillo más largo o recurra al fijador de roscas.

Paso 6 — Presupuesto y volumen

Use la tabla 3: en 1–2×, fijador de roscas o tuerca simple; en 4–12×, tuercas de par de retención de nailon o totalmente metálicas; en 30–100×, arandelas de cuñas o tuercas de rosca deformada; las tuercas SMA solo para casos extremos de motor aeronáutico.

Paso 7 — Prototipo y verificación

Realice 2000 ciclos según GB/T 10431 o ISO 16130 y libere solo por encima del 60 % de retención de carga previa. No libere con la curva de catálogo del proveedor: un ensayo propio es el seguro más barato que se puede contratar.

7. Los seis errores que más cometen los ingenieros

8. Preguntas frecuentes: diez cuestiones reales de ingeniería

P1. ¿Se pueden eliminar las arandelas de muelle en todas partes?

En uniones estáticas, sin vibración y no críticas para la seguridad (paneles interiores de acabado, tapas poco cargadas) siguen siendo aceptables. En cualquier punto con carga dinámica, riesgo para personas o paradas costosas, conviene sustituirlas por arandelas de cuñas o fijador de roscas.

P2. ¿Es mejor una arandela de cuñas más gruesa?

No. El ángulo de cuña debe ser estrictamente mayor que el ángulo de hélice y el par debe usarse junto: una sola arandela no hace nada. Por encima de M16 conviene elegir la versión con marcado en el canto para facilitar la inspección.

P3. ¿Cuántas veces se puede reutilizar una tuerca de nailon?

La práctica del sector son 5–10 montajes. Cada uno expande el inserto y reduce el par de retención. La práctica aeroespacial suele desecharlas tras tres.

P4. ¿222, 243 o 263?

222 de baja resistencia, por debajo de M6, regulable; 243 media, desmontable, uso general por debajo de M20; 263 de alta resistencia, permanente por encima de M20. Conviene elegir siempre el grado más bajo que aguante: el grado superior puede no desmontarse.

P5. ¿Qué bloquea en aluminio?

Las roscas de aluminio son débiles y el fijador de roscas puede arrancarlas al desmontar. Use una arandela dentada que se incruste en el metal blando o instale primero un inserto helicoidal y después una tuerca de nailon.

P6. ¿Pueden los tornillos de acero inoxidable usar arandelas de muelle?

No. El inoxidable contra inoxidable gripia: se agarrota al montar y se cizalla al desmontar. Use una tuerca de par de retención totalmente metálica o una arandela recubierta.

P7. ¿Es seguro el 70 % del límite elástico?

Sí. La ISO 898-1 asigna a la clase 8.8 un límite elástico de 640 MPa y recomienda como carga previa el 60–75 % del límite elástico. El riesgo de fractura empieza por encima de aproximadamente el 90 %.

P8. ¿Qué funciona por encima de 300 °C?

Tornillos de Inconel 718, arandelas Belleville y lubricación con MoS₂. El fijador de roscas se reblandece por encima de 150 °C y los insertos de nailon fallan a 120 °C.

P9. ¿Qué tuercas de bloqueo se pueden reutilizar?

Las totalmente metálicas 5–10 veces, las de nailon 5, las de rosca deformada 15, las arandelas de cuñas indefinidamente y el fijador de roscas esencialmente una vez.

P10. ¿Cómo saber si un tornillo se ha aflojado en servicio?

Durante la inspección, pinte una línea testigo que cruce tuerca y unión; una línea rota indica movimiento. Las uniones críticas pueden usar indicadores de carga de tornillo o pintura sensible al par.

9. Normas y referencias

Normas chinas

• GB/T 3098.1 Propiedades mecánicas de tornillos y espárragos
• GB/T 10431 Método de ensayo de vibración transversal para elementos de fijación
• GB/T 94.3 Arandelas de muelle — tipos de silla y ondulada
• GB/T 6184 Tuercas hexagonales de par de retención, estilo 1, totalmente metálicas
• GB/T 889.1 Tuercas hexagonales de par de retención, estilo 1, con inserto no metálico

Normas internacionales

• ISO 898-1 Propiedades mecánicas de los elementos de fijación
• ISO 16047 Elementos de fijación — ensayo de par y fuerza de apriete
• ISO 16130 Elementos de fijación — ensayo de comportamiento de los tipos de par de retención
• DIN 65151 Aeroespacial — comportamiento de bloqueo de los elementos de fijación roscados
• NASA-STD-5020 Requisitos de los sistemas de fijación roscada

Bibliografía clave

• Gong H., Liu J. H., Feng H. H. Review on anti-loosening methods for threaded fasteners. Chinese Journal of Aeronautics, 2021. DOI: 10.1016/j.cja.2020.12.038
• Junker G. H. New criteria for self-loosening of fasteners under vibration. SAE Automotive Engineering, 1969, 78:314–335.
• Dravid S., Tripathi K., Chouksey M. Experimental study of prevailing torque locking behavior of plain and spring washers. Int. J. Eng. Res., 2012.
• Pinelli M., Subramanian C., Tabor J. Experimental study of breakaway torque in service. Transport Research Record, 2012.