La Escuela Politécnica de Zamora diseñará tornillos con un mejor comportamiento ante las fracturas
AMR/DICYT Los tornillos son elementos claves en el montaje industrial, al permitir, a diferencia de otros elementos que se emplean como fijación, que las piezas sujetas con los mismos puedan ser desmontadas cuando la ocasión lo requiera. Por ello, el conocimiento de las propiedades mecánicas de los materiales con los que se fabrican es necesario para el desarrollo de esta disciplina científica. Un proyecto de investigación de la Escuela Politécnica de la Universidad de Salamanca en Zamora tratará de diseñar uniones roscadas que permitan un comportamiento mejor ante dos fenómenos que les pueden suceder a estos elementos: la fatiga y la fractura.
La investigación, subvencionada por la Fundación Solórzano, está dirigida por Beatriz González, del Departamento de Construcción y Agronomía de la Usal y toma como punto de partida un trabajo previo de la misma autora. Titulado "Tolerancia al daño de uniones atornilladas para aplicaciones industriales avanzadas", la científica analizó el comportamiento de los tornillos ante dos situaciones que se pueden producir en su uso, la fatiga y la fractura. El director de esta investigación fue el catedrático Jesús Toribio Quevedo, el único que tiene este cargo en la Escuela Politécnica de Zamora. Toribio Quevedo cedió la dirección a Beatriz González para esta segunda parte de la investigación.
Según explica a DiCYT la propia autora, "la tolerancia es una parte del comportamiento mecánico avanzado". Los materiales poseen unas características inherentes que les permiten diferenciarse de otros, y su conocimiento es muy importante en el campo de la Ingeniería. Entre estos comportamientos se pueden citar la compresión, el desgaste, la elasticidad, la conductividad eléctrica o el magnetismo. La investigación aborda dos aspectos del comportamiento de los materiales concretos: la fatiga de los materiales y la fractura.
La fatiga de materiales se refiere a un fenómeno por el cual la rotura de los materiales bajo cargas dinámicas cíclicas (fuerzas repetidas aplicadas sobre el material) se produce ante cargas inferiores a las cargas estáticas que producirían la rotura. Dicho de otro modo, es "el crecimiento de fisuras ante solicitaciones cíclicas", explica la especialista. La rotura por fatiga tiene aspecto frágil aún en metales dúctiles, puesto que no hay apenas deformación plástica. La fractura es una propiedad cercana, y supone la formación y propagación de grietas o defectos en los materiales, la "rotura de una pieza en determinadas condiciones". Las uniones atornilladas están sometidas a este tipo de daños, debido a las tensiones a las que son sometidas las piezas.
A partir de ensayos de laboratorio de tres tipos (dinámicos, estáticos y de caracterización del material), los investigadores analizarán el comportamiento de tornillos convencionales, empleados, por ejemplo, para unir chapas o estructuras. Son denominados técnicamente tornillos de métrica 10 y calidad 8/8. En el trabajo previo, caracterizaron el comportamiento de estos elementos mecánicos y ahora pretenden "mejorar el comportamiento haciendo cambios para ver si se comportan mejor en determinadas condiciones".
Métodos propuestos
Los investigadores proponen una serie de métodos para alcanzar este objetivo. En primer lugar, quieren realizar cambios geométricos en el fondo de los filetes de los elementos. En segundo término, realizarán precargas de tracción como pruebas de fuerza. En tercer lugar, disminuirán la rugosidad superficial en el fondo de los filetes. Como cuarto punto, quieren realizar cambios en la composición de estas unidades. Finalmente, en quinto término, pretende realizar modificaciones en la microestructura. El fin último es conocer cuál de estos cambios es más viable para obtener un diseño con un comportamiento mejor ante fracturas.
El desarrollo del proyecto se llevará a cabo mediante un trabajo de elementos finitos y, posteriormente, con un programa experimental. Por elementos finitos se entiende, según explica Beatriz González, "discretizar el material en puntos a través de modelos matemáticos para observar cuál es su comportamiento". El programa experimental, por su parte, supondrá la realización de ensayos dinámicos cambiando diferentes aspectos en el tornillo con el fin de optimizar su rendimiento. El proyecto de investigación está planteado en tres cuatrimestres de 2011, y los dos primeros periodos de cuatro meses se realizarán estas dos fases de estudio para, a finales del año, obtener los primeros resultados.
El grupo de investigación trabaja en este ámbito porque, según explica Beatriz González, "es un aspecto innovador, ya que no hay muchos estudios previos en este campo". Los científicos ya cuentan con un amplio bagaje investigador en el ámbito del desarrollo de tornillos de mejores rendimientos. El catedrático Toribio Quevedo ha llegado a diseñar piezas para la Agencia Espacial Europea, según recuerda González.