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 pulido 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 formar una 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 puede 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 de manera precisa, planas y paralelas, separadas por una distancia precisa. Los bloques de grado estándar están hechos de una aleación de acero endurecido, mientras que los bloques de grado de calibración a menudo están 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 que se forme una amplia variedad de longitudes estándar apilándolos. La longitud de cada bloque es en realidad un poco 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 adyacentes del bloque en el uso normal. El espesor de la película de escurrido es de aproximadamente 25 nanómetros (0,98 μin). [3] La longitud nominal del calibre también se conoce como longitud interferométrica . [4]
En uso, los bloques se retiran del conjunto, se les quita su capa protectora ( vaselina o aceite) y se estrujan para formar una pila de la dimensión requerida. Los bloques patrón están calibrados para que sean precisos a 20 °C (68 °F) y deben mantenerse a esta temperatura cuando se toman 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 posible para evitar la acumulación de errores de tamaño. Por ejemplo, una pila con un total de 0,638 que se compone de dos bloques (un bloque de 0,500 exprimido hasta formar un bloque de 0,138) es preferible a una pila con un total de 0,638 que se compone de cuatro bloques (como un bloque de 0,200, 0,149, 0,151 y 0,138 exprimidos todos juntos). Como se detalla en la sección de Grados, cada bloque tiene una tolerancia de tamaño de unas pocas millonésimas de pulgada, por lo que apilarlos juntos introduce una incertidumbre acumulativa. Sin embargo, el error de apilado incluso de varios bloques suele ser insignificante en todos los usos, salvo en los más exigentes. En un taller con mucha actividad, algunos de los bloques se utilizarán en otro lugar, 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, o no 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 superiores de bloques).
El estrujado es el proceso de deslizar dos bloques juntos para que sus caras se unan. Debido a sus superficies ultraplanas, cuando se estrujan, los bloques patrón se adhieren entre sí firmemente. Los bloques estrujados correctamente pueden soportar una tracción 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 significativas. [4] Los experimentos con la fricción de los bloques sugieren también que la eliminación de la película de óxido de la superficie del acero mediante el escurrido juega un papel importante en la acción de escurrido. [7]
No hay magnetismo involucrado, aunque para el usuario la adherencia de los bloques entre sí se parece un poco a la de los débiles imanes de refrigerador que se pegan entre sí. Sin embargo, a diferencia de los imanes, la adherencia solo 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 escurrido consta de cuatro pasos: [4]
Después de su uso, los bloques se vuelven a engrasar o engrasar para protegerlos contra la corrosión . La capacidad de un bloque patrón determinado para retorcerse se denominaescurribilidad ; se define oficialmente como "la capacidad de dos superficies de adherirse firmemente entre sí en ausencia de medios externos". Las condiciones mínimas para la escurribilidad son unacabado superficialde 1 micropulgada (0,025 μm)AAo mejor, y unaplanitudde al menos 5 μin (0,13 μm).[4]
Existe una prueba formal para medir la capacidad de escurrido. Primero, se prepara el bloque para escurrirlo utilizando el proceso estándar. Luego, se desliza el bloque sobre una placa óptica de cuarzo de 2 in (51 mm) de grado de referencia (1 μin (0,025 μm) de planitud) mientras se aplica una presión moderada. Luego, se observa la parte inferior del bloque patrón (a través de la placa óptica) para detectar 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 patrón. Para el grado federal 3 y los grados ISO 1 y 2, no más del 20 % de la superficie debe mostrar aceite o color. Esta prueba es difícil de realizar en bloques patrón más delgados que 0,1 in (2,5 mm) porque tienden a no ser planos en el estado relajado. [4]
Los accesorios ilustrados proporcionan un conjunto de soportes y herramientas para ampliar la utilidad del juego de bloques patrón. Proporcionan un medio para sujetar con seguridad pilas grandes , junto con puntos de referencia, trazadores y varias formas de bloques que actúan como mordazas de calibrador, ya sea externas o internas. Los de punta cónica facilitan la medición de distancias de centro a centro entre los centros de los orificios. Una pila de bloques patrón con accesorios externos de mordazas de calibrador, todos sujetos entre sí, actúa como un calibre de tamaño personalizado que se ensambla rápidamente y que funciona bien o no .
Se utiliza una piedra de bloque calibradora especial que no daña la superficie para eliminar mellas y rebabas y mantener la capacidad de escurrido. [4]
Hay dos almohadillas para escurrir que se utilizan para preparar un bloque calibrador para escurrirlo. La primera es una almohadilla de aceite , que aplica una capa ligera de aceite al bloque. La segunda es una almohadilla seca , que elimina cualquier exceso de aceite del bloque después de que se haya utilizado la almohadilla de aceite. [4]
Los bloques patrón están disponibles en varios grados, dependiendo de su uso previsto. [8] El criterio de clasificación es la estrechez de la tolerancia en sus tamaños; por lo tanto, los grados más altos se fabrican con tolerancias más estrictas y tienen mayor precisión y exactitud . 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 grado 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 la calidad. En general, las calidades son equivalentes a las antiguas calidades federales de EE. UU., de la siguiente manera:
La norma ANSI/ASME sigue una filosofía similar a la establecida en la norma ISO 3650. Consulte la referencia del 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 calibradores comerciales (la longitud se refiere al espesor calibrado)
Los bloques patrón suelen estar 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 serie larga están hechos de acero de alta calidad que tiene una sección transversal (35 × 9 mm) con orificios para sujetar dos cuñas juntas. También están disponibles en material de acero al carbono. Los bloques de acero están endurecidos y templados . 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 están endurecidos). El corte de los bloques a medida se logra con rectificado seguido de lapeado . Por lo general, no se involucra ningún recubrimiento ni revestimiento. Los bloques se mantienen ligeramente engrasados y se almacenan y utilizan en condiciones de clima seco controlado; los bloques patrón de acero sin revestimiento ni revestimiento pueden durar décadas sin oxidarse.
El juego de bloques calibradores, también conocido como "Jo Blocks", fue desarrollado por el inventor sueco Carl Edvard Johansson . [9] Johansson fue empleado en 1888 como inspector de armeros por el arsenal estatal Carl Gustafs stads Gevärsfaktori (Fábrica de rifles de la ciudad de Carl Gustaf) en la ciudad de Eskilstuna , Suecia. Estaba preocupado por las costosas herramientas para medir piezas para los rifles Remington que entonces se producían bajo licencia en Carl Gustaf. Cuando Suecia adoptó una variante a medida 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 Mauser en Oberndorf am Neckar , Alemania, resultó ser una decepción. En el tren de regreso a casa, pensó en el problema y se le ocurrió la idea de un juego de bloques que pudieran combinarse para formar cualquier medida.
Hasta ese momento ya existía una larga historia de uso creciente de calibres, como los calibres para limar y los calibres pasa/no pasa , que se fabricaban a medida individualmente en una sala de herramientas para su uso en el taller; pero nunca habían existido bloques calibre de súper precisión que pudieran retorcerse juntos para formar diferentes longitudes, como ahora imaginaba Johansson.
De vuelta a casa, Johansson transformó la máquina de coser Singer de su esposa en una máquina de pulir y lapear. Prefería realizar este trabajo de precisión en casa, ya que las máquinas de pulir de la fábrica de rifles no eran lo suficientemente buenas. Su esposa, Margareta, lo ayudó con el prototipo inicial. Una vez que Johansson mostró su equipo en 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, la patente SE n.º 17017, llamada "Juegos de bloques patrón para medición de precisión". Johansson fundó 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 requerida ] El primer juego de bloques patrón CEJ en Estados Unidos fue vendido a Henry M. Leland en la 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 y depresión posteriores a la Primera Guerra Mundial 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 propuso 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 operación de fabricación de calibres del sueco C. E. Johansson en 1923 y pronto la trasladó a las instalaciones del laboratorio en Dearborn. Entre 1923 y 1927, la división Johansson suministró 'Jo-blocks' al taller de herramientas de Ford y a cualquier fabricante que pudiera permitírselos. También fabricó algunos de los calibres 'pasa' y 'no pasa' de Ford utilizados en la 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 como 25,399977 mm (con una temperatura de referencia de 62 °F (17 °C)). [11] Cuando Johansson comenzó a fabricar bloques patrón en tamaños de 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 a la suya. [13]
En 1930, la British Standards Institution adoptó una pulgada de exactamente 25,4 mm. La American Standards Association siguió su ejemplo en 1933. En 1935, la industria de 16 países había adoptado la "pulgada industrial", como se la conoció posteriormente, [14] [15] lo que en la práctica respaldaba la elección pragmática de Johansson de la relación de conversión. [11]
En 1936, a los 72 años, Johansson consideró que había llegado el momento de retirarse 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 con los logotipos de CE Johansson y Brown & Sharpe . En la actualidad, todavía se ven bloques con los logotipos de CE Johansson y Ford.
Similares a los bloques patrón, son barras cilíndricas rectificadas con precisión, para usar como calibres de tapón para medir diámetros de orificios, o como partes de calibres pasa/no pasa o aplicaciones similares.
Se suministran como juegos de rodillos o bolas individuales, como los que se utilizan en rodamientos de rodillos o bolas o en aplicaciones de fabricación de herramientas y matrices . Las bolas de calibración se pueden utilizar para calibrar goniómetros de ángulo de contacto , máquinas CNC y equipos similares.