Mejorando el Empaque/Junta de la Cabeza, su Relación con los Tornillos

La relación entre los empaques de la cabeza y los tornillos de la misma es una relación íntima. Es la fuerza de sujeción aplicada por los tornillos de la cabeza lo que permite que el empaque de la cabeza mantenga su sello.

Para que esta unión dure, tiene que haber una tensión constante – no demasiada, de lo contrario los tornillos se pueden estirar o romper, y no muy poca, ya que el empaque puede no sellar completamente.

Lo que es más, el par de apriete tiene que ser lo más consistente posible entre un tornillo y el siguiente y distribuido de una manera uniforme alrededor de cada cilindro. Si se viola cualquiera de estas reglas, la unión puede fracasar.

Las fallas de los empaques de la cabeza en los motores convencionales pueden ser causadas por un gran número de causas.

Estas incluyen el sobrecalentamiento del motor que hace que la cabeza se separe del bloque y/o deforme la cabeza, los puntos calientes cerca de las válvulas de escape que pueden aplastar o quemar el blindaje alrededor de la cámara de combustión, la detonación o preignición que también puede romper la protección alrededor de la cámara de combustión, el movimiento excesivo entre la cabeza y el bloque en los motores bimetálicos (dos tipos de material) que puede causar que un empaque compuesto se separe, y por último la corrosión del refrigerante que podría corroer las superficies de contacto entre el bloque y la cabeza.

Si usted mide con un micrómetro el grosor de un empaque de la cabeza que se ha quemado debido a un sobrecalentamiento o un punto caliente, a menudo notará que es aplastado y se vuelve más delgado en la zona dañada.

En comparación, en un empaque que ha fallado debido a la detonación por lo general encontra un blindaje roto alrededor de la cámara de combustión, lo que conlleva a que se queme el empaque. Los errores de installation también pueden conducir a problemas de sellado del empaque o a fallas durante la operación del vehículo si un empaque o junta no se ha instalado correctamente (montar el empaque al revés o el uso de un sellador sobre el empaque donde no se requiere ningún sellador), o si las superficies en la cabeza y la cubierta del bloque no están limpias, planas y con el acabado adecuado.

Los empaques o juntas de la cabeza también pueden tener fugas o fallar si los tornillos de la cabeza no se aprietan en la secuencia apropiada (por lo general de adentro hacia fuera), o si el valor del par de apriete y/o el ángulo no es el especificado.

En los motores de modelo reciente, nunca debe volver a usar los tornillos de torsión angular y estiramiento (TTY) de la cabeza debido a que ya se han estirado. Utilizarlos de nuevo aumenta el riesgo de que el tornillo falle cuando se estire más allá de los límites del diseño original.

Los tornillos TTY de la cabeza son regulamente más largos y más estrechos que los pernos de cabeza estándar. Los manuales de servicio de la fábrica le indican qué aplicaciones utilizan pernos TTY, y a menudo tambien le ilustran el procedimiento de apriete de los tornillos de la cabeza y si los tornillos son TTY o estándar.

Normalmente los pernos TTY tienen una especificación del ángulo de apriete en lugar de un valor de torque específico (lo que requiere el uso de un medidor de ángulo para dar el apriete final a los tornillos después que se haya alcanzado un cierto valor de torque).

Algo Tiene que Ceder

Aunque pensamos que los tornillos de la cabeza son sujetadores bastante rígidos, estos tienen en su diseño una cierta cantidad para “ceder”. Al estirar un poco, los pernos de la cabeza aplican una carga constante que mantiene el empaque de la cabeza en su lugar.

La carga debe compensar la expansión térmica que se produce cuando la cabeza y el bloque se calientan y se enfrían, así como soportar cualquier cantidad de compresión que se genera con el paso del tiempo en una junta del tipo compuesto de la cabeza.

Lo que un tornillo puede estirar de forma segura depende del tipo de tornillo (convencional o TTY), la longitud del tornillo y el diámetro del vástago. Algunos tornillos pueden estar diseñados para estirar sólo unas pocas milésimas de pulgada, mientras que otros pueden estirar hasta unas 0.040 pulgadas.

Si un tornillo se estira demasiado y llega a su punto máximo de elasticidad, ya no se podrá estirar más sin deformarse de forma permanente.

Lo que es más, una vez que el perno excede su límite de elasticidad y comienza a deformarse, ya no aplicará más ninguna fuerza de sujección. Continuará estirándose hasta que finalmente se rompa si se estira demasiado. Es por esta razón que los pernos TTY de la cabeza sólo deben usarse una vez. Los pernos TTY están diseñados justo para alcanzar su límite de elasticidad en una carga de sujeción inferior que un perno convencional, de manera que se estiren y limiten la fuerza de sujeción en la junta de la cabeza.

Esto produce una carga más pareja a través de la cara del empaque y también reduce la distorsión de los cilindros.

Si un tornillo convencional de la cabeza se estira menos que su límite de elasticidad, actuará como una banda elástica y mantendrá su carga de sujeción en la junta o empaque. También volverá a su longitud original cuando la carga sea aliviada y el tornillo se afloje o se quite. La medición de la longitud de los tornillos es una forma de identificar los tornillos que se han estirado de forma permanente y que deben ser desechados.

Las juntas MLS de la cabeza funcionan bien con los tornillos TTY, así como con los tornillos convencionales, porque no hay una capa de material blando donde pueda fugar la compresión con el tiempo.

Las capas con muelles de acero en relieve mantienen la tensión entre la cabeza y el bloque, lo que reduce la cantidad de fuerza de sujeción de la cabeza que los tornillos tienen que proveer para mantener un sellado duradero. En consecuencia, los motores de reciente modelo con tornillos TTY de la cabeza normalmente requieren menos esfuerzo de torsión en los pernos de la cabeza que los motores viejos con tornillos convencionales y con los empaques compuestos o de grafito.

Combinación Perfecta

Los empaques MLS de la cabeza suelen ser de tres, cuatro o cinco capas de acero inoxidable en relieve, aunque algunos empaques del equipo original utilizan más capas. Un recubrimiento exterior de caucho de nitrilo o Viton en la junta mejora el sellado en frío. Regularmente el revestimiento exterior es más grueso en las juntas MLS del mercado de accesorios para que puedan acomodar más fácilmente un acabado de superficie ligeramente más rugoso.

Muchos empaques MLS de la cabeza del mercado de accesorios pueden manejar un promedio de hasta 60 a 70 micropulgadas de rugosidad (Ra). Aun así, el acabado recomendado para algunas juntas MLS del mercado de accesorios puede ser de 30 Ra o menos dependiendo de la aplicación y el espesor del recubrimiento de caucho sobre el empaque. La mayoría de las juntas MLS del OE tienen una capa exterior relativamente delgada y requieren de acabados de espejo en las superficies de la cubierta del bloque y la cabeza que son por lo general de 20 Ra o menos.

Los empaques compuestos y de grafito requieren diferentes acabados de la superficie. Para los motores bimetálicos con bloques de hierro y cabezas de aluminio, estos tipos de empaques por lo general sellan mejor con un acabado de superficie en el rango de 20 a 50 Ra. Para los motores originales y ligeramente modificados con bloques y cabezas de hierro, un acabado de superficie de 60 a 120 Ra tradicionalmente es aceptable, pero un rango entre 60 y 80 Ra es, probablemente, el óptimo para muchas aplicaciones.

La medición precisa del acabado de la superficie requiere más que solo conjeturar. Se requiere del equipo correcto, la velocidad de avance y fresado adecuadas, las herramientas bien afiladas, además del tipo apropiado de herramientas para los insertos (PCD funciona mejor para el aluminio, mientras que CBN es mejor para el hierro), PCD=Polycrystalline Diamond, CBN=Cubic Boron Nitride.

También se requiere un perfilómetro para comprobar su trabajo. Un perfilómetro arrastra un lápiz con punta de diamante por la superficie para medir los picos y valles microscópicos en el metal.

La medición de la rugosidad media es sólo uno de varios parámetros que se pueden medir en un acabado. Una medición más precisa es el “Rz”, que es el promedio de la diferencia entre la altura del pico (Rpk) y la profundidad del valle (Rvk). El Ra puede tener una amplia variación a través de un perfil de superficie dada, por lo que el Rz le ofrece una indicación más precisa de la textura real a través de la superficie.

Si utiliza un perfilómetro para verificar el acabado de una superficie, utilice las lecturas del Rz en lugar del Ra para ver lo que realmente está pasando. Un acabado de superficie de 20 Ra para una junta MLS del OE de la cabeza sería alrededor de 120 Rz. Para un empaque MLS de alto rendimiento del mercado de accesorios, busque lecturas Rz en el rango de 180 a 300 Rz.

Para los empaques compuestos, no vaya más allá de 240Rz (40 Ra) del acabado fino  o más de 600 Rz (100 Ra) en el acabado áspero. Una superficie demasiado áspera puede dejar huecos entre el empaque y el metal mientras que una superficie demasiado suave para un empaque compuesto puede aumentar la tendencia del empaque a flotar y a quemarse.

Lo plano de la superficie es también esencial para un buen sellado. Utilice una regla recta y calibradores de hojas o lainas para revisar todas las áreas críticas – especialmente aquellas entre los cilindros. Las especificaciones de la planicidad varían dependiendo de la aplicación, pero se considera aceptable en la mayoría de los motores con varillas de empuje con cabezas de hierro fundido, hasta 0.003 pulg. (0.076 mm) fuera de planicidad a lo largo de la cabeza en los V6, en las cabezas de cuatro cilindros o V8, 0.004 pulg. (0.102 mm) está bien, y 0.006 de pulgada (0,152 mm) en motores de seis cilindros en línea, es también acepatable.

La calidad de los tornillos y de los birlos de alto rendimiento de la cabeza del mercado de accesorios es muy superior al de la mayoría de los tornillos originales. Los materiales de alta calidad que se utilizan y las técnicas de fabricación aseguran que los hilos de las roscas sean de más alta calidad. La mayoría de los tornillos y birlos de alto rendimiento tienen una resistencia a la tensión de 175,000 a 220,000 PSI o incluso superior en comparación con 150,000 PSI para muchos tornillos originales de grado 8 de la cabeza. Una resistencia más alta a la tracción permite que los tornillos manejen mayores cargas de sujeción y estiramiento antes que lleguen a su límite de elasticidad.

Muchos corredores de autos reemplazan sus tornillos de la cabeza con birlos por un par de razones. Si el motor tiene un bloque de aluminio, los birlos sólo tiene que instalarse una vez.

Esto permite que las cabezas sean removidas y puestas del motor varias veces sin ningún tipo de desgaste o rotura en las roscas de los tornillos en el bloque. Los birlos también tienen hilos de dientes finos en la parte superior lo que permiten un apriete más preciso que los hilos gruesos. Esto, a su vez, permite una fuerza de sujeción más pareja en la cara del empaque.

Par de Apriete (Torque)

En la mayoría de los casos, siga el procedimiento y las especificaciones del par de apriete de los tornillos de la cabeza recomendados por el fabricante del vehículo. Asegúrese que su llave de torsión esté debidamente calibrada y ajustada en el rango correcto.

Los motores de alto rendimiento pueden o no pueden beneficiarse de las cargas de sujeción ligeramente mayores, dependiendo del tipo de empaque y de los tornillos de la cabeza utilizados. Usted necesita suficiente carga de sujeción para no dejar que la cabeza se levante del empaque, pero no tanta fuerza de amarre que los tornillos se sobrecarguen y corra el riesgo que los tornillos de la cabeza se estiren o se rompan.

Un tornillo que no dá el par de apriete normal o no mantiene una lectura, significa problemas. O bien el tornillo se está estirando o los hilos de la rosca están dañados en el bloque.

La mayoría de los empaques compuestos y MLS no requieren volver a apretar, aunque en aplicaciones de alto rendimiento se puede volver a apretar y así asegurar un sellado más duradero. Cada vez que los pernos de la cabeza se aflojan y se vuelven a apretar, las superficies de las roscas se pulen y suavizan. Esto reduce la fricción y aumenta la carga de sujeción para la misma cantidad de par de apriete que se aplica al tornillo, por lo que existe el riesgo de sobrecargar el empaque. Si vuelve a apretar, hagálo después que el motor se haya enfriado, no mientras aún esté caliente.

No se Olvide de los Lubricantes

Los tornillos de la cabeza deben instalarse siempre con algún tipo de lubricante en las roscas, nunca en seco. Ya sea aceite de motor, grasa de molibdeno o algún otro tipo de lubricante para roscas deben aplicarse a las roscas del tornillo y la parte inferior de los tornillos.

La mayor parte del esfuerzo que se aplica a una llave de torsión para apretar un tornillo se utiliza para vencer la fricción entre los hilos de la rosca, por lo que el uso de un lubricante reduce la fricción y aumenta la carga de sujeción real sobre el empaque hasta un 25 por ciento o más.

Podría haber grandes diferencias entre las cargas de sujeción para la misma lectura con la llave de torsión en función del tipo de lubricante utilizado. Algunos fabricantes de empaques dicen  que se obtienen resultados más precisos y una carga más pareja del tornillo, mediante el uso de una grasa de molibdeno en lugar de aceite de motor en las roscas de los tornillos. Si los tornillos tienen un recubrimiento negro de óxido, se debe limpiar esa capa antes de aplicar la grasa.

Un proveedor de tornillos del mercado de accesorios ha desarrollado un lubricante de roscas especial que dicen logra una carga más consistente que el aceite de motor o grasa molibdeno.

Para los tornillos de la cabeza que se extienden a la camisa de enfriamiento, recubra las roscas con un sellador flexible. El no hacerlo puede resultar en una fuga de refrigerante.

También es importante para una asegurar una torsión y carga precisa del empaque la condición de las roscas en los tornillos y en el bloque. También se recomienda troquelar y limpiar las roscas desgastadas, dañadas o corroídas para obtener la carga de sujección exacta del tornillo.  SA