Los bloques patrón (también conocidos como bloques patrón , calibres Johansson , calibres deslizantes o bloques Jo ) son un sistema para producir longitudes de precisión. El bloque patrón individual es un bloque de metal o cerámica que ha sido rectificado con precisión y lapeado hasta alcanzar un espesor específico. Los bloques patrón vienen en juegos de bloques con una variedad de longitudes estándar. En uso, los bloques se apilan para alcanzar la longitud (o altura) deseada.
Los bloques patrón fueron inventados en 1896 por el maquinista sueco Carl Edvard Johansson . [1] Se utilizan como referencia para la calibración de equipos de medición utilizados en talleres mecánicos , como micrómetros , barras sinusoidales , calibradores e indicadores de cuadrante (cuando se utilizan en una función de inspección ). Los bloques patrón son el principal medio de estandarización de longitud utilizado por la industria. [1]
Una característica importante de los bloques patrón es que se pueden unir con muy poca incertidumbre dimensional. Los bloques se unen mediante un proceso de deslizamiento llamado escurrido , que hace que sus superficies ultraplanas se adhieran entre sí. Se puede utilizar una pequeña cantidad de bloques patrón para crear longitudes precisas dentro de un amplio rango. Al utilizar tres bloques a la vez tomados de un conjunto de 30 bloques, se pueden crear cualquiera de las 1000 longitudes de 3,000 a 3,999 mm en pasos de 0,001 mm (o de 0,3000 a 0,3999 pulgadas en pasos de 0,0001 pulgadas).
Un bloque patrón es un bloque de metal o cerámica con dos caras opuestas rectificadas con precisión planas y paralelas, a una distancia precisa entre sí. Los bloques de calidad estándar están hechos de una aleación de acero endurecido, mientras que los bloques de calidad de calibración suelen estar hechos de carburo de tungsteno (WC), carburo de cromo (CrC) o cerámica ( a base de SiO 2 ) porque son más duros y se desgastan menos. [2] Los bloques patrón vienen en juegos de bloques de varias longitudes, junto con bloques de desgaste adicionales, para permitir formar una amplia variedad de longitudes estándar apilándolos. La longitud de cada bloque es en realidad ligeramente más corta que la longitud nominal estampada en él, porque la longitud estampada incluye la longitud de una película de escurrido , una película de lubricante que separa las caras de los bloques adyacentes en uso normal. El espesor de la película escurrida es de aproximadamente 25 nanómetros (0,98 μin). [3] La longitud nominal del calibre también se conoce como longitud interferométrica . [4]
Durante el uso, los bloques se retiran del conjunto, se limpian de su capa protectora ( vaselina o aceite) y se estrujan para formar una pila de la dimensión requerida. Los bloques patrón están calibrados para ser precisos a 20 °C (68 °F) y deben mantenerse a esta temperatura al tomar medidas. Esto mitiga los efectos de la expansión térmica . Los bloques de desgaste, hechos de una sustancia más dura como el carburo de tungsteno , se incluyen en cada extremo de la pila, siempre que sea posible, para proteger los bloques patrón de daños durante el uso.
Los maquinistas y fabricantes de herramientas intentan utilizar una pila con la menor cantidad de bloques para evitar la acumulación de errores de tamaño. Por ejemplo, una pila con un total de .638 compuesta por dos bloques (un bloque de .500 convertido en un bloque de .138) es preferible a una pila con un total de .638 compuesta por cuatro bloques (como una pila de .200, .149). , .151 y .138 todos juntos). Como se detalla en la sección Grados, cada bloque tiene una tolerancia de tamaño de unas millonésimas de pulgada, por lo que apilarlos introduce una incertidumbre acumulativa. Sin embargo, el error apilado incluso de varios bloques suele ser insignificante en todos los usos excepto en los más exigentes. En una tienda ocupada, algunos de los bloques se utilizarán en otros lugares, por lo que se crea una pila a partir de los bloques disponibles en ese momento. Normalmente, la diferencia de unas pocas millonésimas de pulgada no será detectable ni importará en el contexto. Los contextos que exigen máxima precisión son más raros y requieren gastos adicionales (por ejemplo, más conjuntos de bloques y grados más altos de bloques).
Escurrir es el proceso de deslizar dos bloques para que sus caras se unan. Debido a sus superficies ultraplanas, cuando se estrujan, los bloques patrón se adhieren firmemente entre sí. Los bloques correctamente escurridos pueden soportar un tirón de 300 N (67 lbf). [5] El mecanismo es una combinación de: [4] [5] [ necesita actualización ]
Se cree que las dos últimas fuentes son las más importantes. [4] Los experimentos con fricción de los bloques sugieren también que la eliminación de la película de óxido de la superficie del acero mediante escurrido juega un papel importante en la acción de escurrido. [7]
No hay magnetismo involucrado, aunque para el usuario la adherencia de los bloques se siente un poco como si fueran débiles imanes de refrigerador pegados entre sí. Sin embargo, a diferencia de los imanes, la adherencia sólo dura mientras los bloques están completamente unidos; los bloques no se atraen entre sí a través de ningún espacio visible, como lo harían los imanes.
El proceso de escurrir implica cuatro pasos: [4]
Después de su uso, los bloques se vuelven a aceitar o engrasar para protegerlos contra la corrosión . La capacidad de un bloque patrón dado para escurrirse se llamacapacidad de estrujado ; se define oficialmente como "la capacidad de dos superficies de adherirse firmemente entre sí en ausencia de medios externos". Las condiciones mínimas para la capacidad de estrujado son unacabado superficialde 1 micropulgada (0,025 µm)AAo mejor, y unaplanitudde al menos 5 µpulgadas (0,13 µm). [4]
Existe una prueba formal para medir la capacidad de estrujado. En primer lugar, se prepara el bloque para escurrirlo mediante el proceso estándar. Luego, el bloque se desliza a través de un plano óptico de cuarzo de grado de referencia de 2 pulgadas (51 mm) (planitud de 1 μin (0,025 μm)) mientras se aplica una presión moderada. Luego, se observa la parte inferior del bloque patrón (a través del plano óptico) en busca de aceite o color. Para los grados federales 0.5, 1 y 2 y los grados ISO K, 00 y 0, no debe verse aceite ni color debajo del bloque medidor. Para Grado Federal 3 e ISO grados 1 y 2, no más del 20% del área de la superficie debe mostrar aceite o color. Esta prueba es difícil de realizar en bloques patrón de menos de 2,5 mm (0,1 pulgadas) porque tienden a no quedar planos en estado relajado. [4]
Los accesorios que se muestran en la imagen proporcionan un conjunto de soportes y herramientas para ampliar la utilidad del juego de bloques patrón. Proporcionan un medio para sujetar de forma segura grandes pilas , junto con puntos de referencia, trazadores y varias formas de bloques que actúan como mordazas de calibre, ya sea externas o internas. Los de punta cónica facilitan la medición de distancias de centro a centro entre los centros de los agujeros. Una pila de bloques patrón con accesorios externos de mordaza de calibre, todos sujetos entre sí, actúa como un indicador de paso o no paso de tamaño personalizado que se ensambla rápidamente .
Se utiliza un bloque de piedra calibrador especial que no puede dañar la superficie para eliminar muescas y rebabas y mantener la capacidad de estrujado. [4]
Hay dos almohadillas para escurrir que se utilizan para preparar un bloque patrón para escurrir. La primera es una almohadilla de aceite , que aplica una ligera capa de aceite al bloque. La segunda es una almohadilla seca , que elimina el exceso de aceite del bloque después de que se haya utilizado la almohadilla de aceite. [4]
Los bloques patrón están disponibles en varios grados, según su uso previsto. [8] El criterio de clasificación es la rigurosidad de la tolerancia en sus tamaños; por lo tanto, los grados más altos se fabrican con tolerancias más estrictas y tienen mayor exactitud y precisión . Varios estándares de clasificación incluyen: JIS B 7506-1997 (Japón)/DIN 861-1980 (Alemania), ASME (EE. UU.), BS 4311: Parte 1: 1993 (Reino Unido). Las tolerancias variarán dentro del mismo grado a medida que aumenta el espesor del material.
Las designaciones de grados más recientes incluyen (especificación federal de EE. UU. GGG-G-15C):
y ANSI/ASME B89.1.9M, que define tanto las desviaciones absolutas de las dimensiones nominales como los límites de paralelismo como criterios para la determinación de grados. Generalmente, las calificaciones son equivalentes a las calificaciones federales anteriores de EE. UU. de la siguiente manera:
El estándar ANSI/ASME sigue una filosofía similar a la establecida en ISO 3650. Consulte la referencia de NIST a continuación para obtener información más detallada sobre las tolerancias para cada grado y tamaño de bloque. Consulte también la página 3 de: Tolerancias de bloques patrón comerciales (la longitud se refiere al espesor calibrado)
Los bloques patrón generalmente están hechos de aceros para herramientas de aleación endurecidos , cerámica o carburos cementados (como carburo de tungsteno o carburo de tantalio ). A menudo el carburo tiene una dureza de 1500 Vickers . Los bloques de la serie larga están hechos de acero de alta calidad con una sección transversal (35 × 9 mm) con orificios para sujetar dos cuñas. También están disponibles en material de acero al carbono. Los bloques de acero están endurecidos y revenidos . La dureza es importante porque reduce la velocidad de desgaste del calibre durante el uso (es por eso que otros tipos de calibres, como pasadores, tapones de rosca y anillos, también se endurecen). El corte de los bloques a medida se logra con esmerilado . seguido de lapeado . Por lo general, no se trata de ningún revestimiento ni ningún otro revestimiento. Los bloques se mantienen ligeramente engrasados y se almacenan y utilizan en condiciones de clima seco y controlado; Los bloques patrón de acero sin chapa ni revestimiento pueden durar décadas sin oxidarse.
El juego de bloques patrón, también conocido como "Jo Blocks", fue desarrollado por el inventor sueco Carl Edvard Johansson . [9] Johansson trabajó en 1888 como inspector armero en el arsenal estatal Carl Gustafs stads Gevärsfaktori (Fábrica de rifles de la ciudad de Carl Gustaf) en la ciudad de Eskilstuna , Suecia. Le preocupaban las costosas herramientas para medir piezas de los rifles Remington que entonces se producían bajo licencia en Carl Gustaf. Cuando Suecia adoptó una variante personalizada de la carabina Mauser en 1894, Johansson estaba muy entusiasmado con la oportunidad de estudiar los métodos de medición de Mauser, en preparación para la producción bajo licencia en Carl Gustaf (que comenzó varios años después). Sin embargo, una visita a la fábrica de Mauser en Oberndorf am Neckar , Alemania, resultó decepcionante. En el tren de regreso a casa, pensó en el problema y se le ocurrió la idea de un conjunto de bloques que podían combinarse para formar cualquier medida.
Ya había una larga historia de uso creciente de calibres hasta ese momento, como calibres para limar y calibres pasa/no pasa , que se fabricaban individualmente a medida en una sala de herramientas para su uso en el taller; pero nunca habían existido bloques patrón de súper precisión que pudieran estrujarse para obtener diferentes longitudes, como ahora imaginaba Johansson.
De regreso a casa, Johansson convirtió la máquina de coser Singer de su esposa en una máquina rectificadora y lapeadora. Prefería realizar este trabajo de precisión en casa, ya que las rectificadoras de la fábrica de fusiles no eran lo suficientemente buenas. Su esposa, Margareta, le ayudó con la creación inicial del prototipo. Una vez que Johansson demostró su conjunto ante Carl Gustaf, su empleador le proporcionó tiempo y recursos para desarrollar la idea. Johansson recibió su primera patente sueca el 2 de mayo de 1901, patente SE nº 17017, llamada "Juegos de bloques calibres para mediciones de precisión". Johansson formó la empresa sueca CE Johansson AB (también conocida como 'CEJ') el 16 de marzo de 1917.
Johansson pasó muchos años en Estados Unidos; durante su vida cruzó el Atlántico 22 veces. [ cita necesaria ] El primer juego de bloques patrón CEJ en Estados Unidos se vendió a Henry M. Leland en Cadillac Automobile Company alrededor de 1908. La primera planta de fabricación en Estados Unidos para sus juegos de bloques patrón se estableció en Poughkeepsie , condado de Dutchess, Nueva York, en 1919. El entorno económico de la recesión posterior a la Primera Guerra Mundial y la depresión de 1920-21 no resultó tan bueno para la empresa, por lo que en 1923 escribió una carta a Henry Ford de la Ford Motor Company , donde le proponía una cooperación. para salvar su empresa. Henry Ford se interesó y el 18 de noviembre de 1923 comenzó a trabajar para Henry Ford en Dearborn, Michigan . Hounshell (1984), citando a Althin (1948) y varias fuentes primarias de archivo, dice: "Henry Ford compró la famosa fábrica de calibres del sueco C. E. Johansson en 1923 y pronto la trasladó a las instalaciones del laboratorio en Dearborn. Entre 1923 y 1927, el La división Johansson suministró 'Jo-blocks' al taller de herramientas de Ford y a cualquier fabricante que pudiera permitírselos. También fabricó algunos de los medidores Ford 'go' y 'no-go' utilizados en producción, así como otros dispositivos de producción de precisión". [10]
A principios del siglo XX, la pulgada estadounidense se definió efectivamente como 25,4000508 mm (con una temperatura de referencia de 68 °F (20 °C )) y la pulgada británica en 25,399977 mm (con una temperatura de referencia de 62 °F (17 °C) )). [11] Cuando Johansson comenzó a fabricar bloques patrón en pulgadas en 1912, el compromiso de Johansson fue fabricar bloques patrón con un tamaño nominal de 25,4 mm, con una temperatura de referencia de 20 °C (68 °F), con una precisión de unas pocas partes. por millón de ambas definiciones oficiales. Debido a que los bloques de Johansson eran tan populares, sus bloques se convirtieron en el estándar de facto para los fabricantes a nivel internacional, [11] [12] y otros fabricantes de bloques patrón siguieron la definición de Johansson al producir bloques diseñados para ser equivalentes al suyo. [13]
En 1930, la Institución Británica de Normalización adoptó una pulgada de exactamente 25,4 mm. La Asociación Estadounidense de Normas hizo lo mismo en 1933. En 1935, la industria de 16 países había adoptado la "pulgada industrial", como llegó a conocerse, [14] [15] respaldando efectivamente la elección pragmática de Johansson de la relación de conversión. [11]
En 1936, a la edad de 72 años, Johansson sintió que era hora de jubilarse y regresar a Suecia. En 1943, poco después de su muerte, recibió la gran medalla de oro de la Real Academia Sueca de Ciencias de la Ingeniería .
En 1948, Brown & Sharpe compró los derechos de la marca CE Johansson a Ford Motor Co., [16] y se fabricaron bloques de marca compartida con los logotipos de CE Johansson y Brown & Sharpe . En la actualidad, a veces también se siguen utilizando bloques de marca compartida con los logotipos de CE Johansson y Ford.
Similares a los bloques patrón, estas son barras cilíndricas rectificadas con precisión, que se usan como medidores de tapón para medir diámetros de orificios, o como partes de medidores de paso/no paso o aplicaciones similares.
Se suministran como juegos de rodillos o bolas individuales, como se utilizan en rodamientos de rodillos o bolas o en aplicaciones de fabricación de herramientas y troqueles . Las bolas de calibración se pueden utilizar para calibrar goniómetros de ángulo de contacto , máquinas CNC y equipos similares.